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硅光模块与传统光模块相比，区别在哪
要弄清二者之间的差异，首先得知道光模块的概念。光模块是光模块作为光通信中的重要组成部分，是实现光信号传输过程中光电互相转换的光电子器件。而硅光模块，顾名思义就是采用了硅光子技术的光模块。
封装
普通光模块和硅光模块仅有一字之差，从制作工艺到传输效率，都有着较大差异。如图1所示，普通光模块通常由光发射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成，采用分立式结构，制造过程中需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，部件物料较多。
图1 普通光模块的封装拆分示意图 （图片来源：雪球）
硅光模块所使用的硅光子技术是利用CMOS工艺进行光器件的开发和集成，基于CMOS制造工艺进行硅光模块芯片集成便是硅光模块最大的特点，亦是硅光模块与普通光模块最大的区别所在。硅光模块芯片通过硅晶圆技术，在硅基底上利用蚀刻工艺加上外延生长等加工工艺制备调制器、接收器等关键器件，以实现调制器、接收器以及无源光学器件的高度集成。
硅光子器件不再需要ROSA和TOSA封装，它高度集成的特性也减少了组件和人工成本，对于下游封装厂或制造商的要求在降低。尤其是2024年后，采用硅光集成技术的光电共封装（CPO）技术预计将会成为主流模式。
产品性能
由于硅光模块和普通光模块所使用的芯片不同，同速率应用于同一场景的硅光模块和普通光模块在产品参数上也有了诸多区别。以飞速（FS）兼容思科QDD-400G-DR4-S的普通光模块和硅光模块为例，来看看在具体产品参数上硅光模块与普通光模块的异同点：
表1 飞速同型号400G光模块和硅光模块参数对比（数据来源：飞速（FS）社区）
由表1可以看出，在同一条件下的硅光模块和普通光模块相比，具有定价更低、传输速率更快、功耗更低等优势。
硅光模块里都有啥
由于其高度集成的特性，硅光模块将核心价值都集中在了硅光芯片上，外围变得极其简单，只剩下一个光纤阵列（FAU），用于将光纤与硅光芯片连接起来，见图2。
图2 硅光模块示意简图 （图片来源：雪球）
作为硅光模块的集成核心，接下来我们从光学的角度来看看硅光芯片里面都有什么器件。
图3 硅光集成芯片概念图 图片来源：Intel
如图3所示，硅光模块中硅光芯片主要应用到的光学器件有：激光器、光探测器、光调制器、（解）复用器件、光波导、光栅耦合器等。
激光器
激光是硅光光模块里信号传输的基石，负责将电信号转化为光信号。我们现在的光模块都是将光芯片封装好
由于硅基材料本身发光性能较差，现行的做法是硅光芯片外挂一个激光器芯片（例如CW激光器）。
VCSEL激光器：主要用于短距离通信，如200 m内的多模并行方案。具有体积小、耦合率高、功耗低、易集成、价格低等优势，适用于数据中心等场景。VCSEL激光器国外厂商主要有美国Broadcom（博通）、Lumentum（朗美通）、Finisar（菲尼萨，被II-VI收购）等，国内主要有江苏长光华芯（见图4）、武汉光迅科技，华工科技等公司。可以看出，基本上都是来自于光通信芯片的龙头企业。
图4 长光华芯的VCSEL激光器芯片 （图片来源：长光华芯）
CW 激光器：这种光源是硅光模块采用的主要激光器方案之一。它可以为硅光模块提供连续的光信号，光功率保持不变，将调制功能剥离到硅光芯片上的调制器上，这样既可以降低激光器成本，也可以降低光模块的失效比例。CW光源的应用范围广泛，除了在硅光模块中大放异彩，还能应用在CPO（共封装光学技术）和光互连等产品上。现在行业领先的CW光源厂商日本Furukawa（古河）、美国Broadcom（博通）、美国Lumentum（朗美通）、美国Coherent高意、日本Sumitomo Electric（住友电工）等厂商，国内包括源杰科技、长光华芯、仕佳光子等在内的多家光芯片公司都在布局，均推出了各种功率的CW光源产品。
除此之外，根据市场对不同工作方式及传输距离的需求，还有DML、EML、FP等类型的激光器同样在硅光模块中常作为光源选择使用，如表2所示。
表2 不同激光器的工作特性 （数据来源：知乎）
光调制器
光调制器（负责将光信号带宽提升）。电光调制器是改变光信号强度、频率或相位的关键元件，完成从电信号到光信号的转换功能，在信息流量传输中扮演关键角色。根据调制方式，硅光模块中的电光调制属于外调制方式，即激光器的注入电流恒定，激光器输出连续光，调制信号加载到外调制器上，在电场的作用下，外调制器进行光强和相位的调制；马赫-曾德尔调制器是近十年来研究最多的硅光调制器之一，一般被认为是提高下一代数据中心光网络、5G 光模块速率的主要方案。
光探测器
光探测器负责将接收到的光信号转化为电信号。当光照射到硅或其他材料制成的光电二极管时，光子被吸收并产生电子-空穴对，进而形成可测量的电流，完成光电转换过程。Ge-Si光探测器由于具有带宽大、结构紧凑、CMOS工艺兼容等特性，更适合大规模集成，是现在的主流方案。图5所示为典型的垂直p-i-n Ge/Si光电探测器结构。
图5 垂直p-i-n Ge/Si光电探测器结构 （图片来源：逍遥科技）
（解）复用器件
（解）复用器件负责将不同波长携带的多路数据合并或分开）。（解）复用器件是波分复用技术中实现不同波长携带的多路数据合并或分开的关键器件，是光通信中较为常规的光电器件。波分复用及解复用是将两种或多种不同波长的光信号，在发射端经过复用器合束后，合进同一根光纤中进行传输，然后在接收端，经解复用器将不同波长的光信号进行分离的技术。采用波分复用及解复用技术，可以拓展光互连的通信容量，并减少光纤的使用量从而降低成本。实现波分复用器件的基本原理是利用光束干涉。
光波导
光波导负责光信号在硅基材料上的传输。用于将光源产生的光束，沿着特定路径导向到需要的位置，并在芯片内部传输信息。其核心原理是将光限制在由低折射率材料包围的高折射率区域（波导）内。常用的光波导有条型波导、脊型波导，其中条型波导结构简单紧凑，极限弯曲半径较小，主要用于一般的无源光器件；脊型波导具有较大的横向尺寸，能够以较低的耦合损耗与单模光纤进行端面耦合，被广泛使用在有源光器件中。
耦合器
耦合器负责与对外连接的光纤对准降低插损。硅基波导光学耦合技术主要用于解决硅基集成光电芯片上的光信号同外部光信号互连的问题，是硅基光电芯片封装的关键技术。实际应用中，单模光纤和光波导之间的高效耦合也是制约硅光子芯片规模化应用的一个难题。光波导中的模场尺寸通常小于 1 μm，单模光纤中的模场直径一般是 8-10 μm，两者模场尺寸间的差异导致了较低的耦合效率和较大的耦合损耗。通过设计不同结构、不同材质的光耦合器件，使片上硅波导的光模场同单模光纤的光模场耦合相匹配从而达到最优的光耦合效率。常用的光耦合器包括端面耦合器和光栅耦合器，硅上光栅是目前最主流的方案。光栅耦合器是通过光栅的衍射效应把光耦合至光波导，优点是尺寸小、对准容差大，可以放置在芯片的任意位置，有利于晶圆级测试。
另外值得一提的是，外置光源为硅光模块的主流方案，未来，异质集成和单片集成将成为硅光光源的重要方向。采用异质集成和外延生长（单片集成）的方式，可以实现更好的集成度，减小占用面积，减少组装环节，并且仅需要晶圆级测试，因此在大规模量产时更具备成本优势，但是当前成熟度较低。随着硅基调制器、探测器、耦合器等光子集成器件逐渐成熟，高效的硅基片上光源已然成为制约硅光技术发展的瓶颈，片上激光器作为硅光芯片的“心脏”，已经成为光子学研究近十年最活跃的领域之一。
参考来源：
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