英特尔、台积电抢占的硬科技赛道——硅光芯片的优势和工作原理
信息技术的发展趋势包括两个方面。首先是希望信息交互可以“越快越好”，即高速率、高密度、大带宽和多通道，因此发展了光通信技术。另一个趋势是希望计算机等电子器件可以“越小越好”，即实现小尺寸、多功能、低能耗和低成本，因此发展了芯片技术。
现阶段，这两个技术均遇到了发展的瓶颈：一方面，以硅为基础的微电子技术由于物理极限的限制，将很难继续遵循摩尔定律来发展，集成电路芯片的发展趋向饱和；另一方面，由于人工智能、大数据、云计算、物联网的发展，信息高速公路体系中各层分支线路上的数据流量也大大增加。两者共同催生出新的方向——硅基光电子芯片技术。
硅基光电子概念形成于20世纪60年代，后由Intel等企业在传输领域拓展至商用。目前，硅基光电子芯片技术已是Intel、IBM、台积电等纷纷抢占的硬科技赛道。
北京大学周治平教授在《硅基光电子学》一书对于硅基光电子学的定义：硅基光电子学是探讨微纳米量级光子、电子及光电子器件在不同材料体系中的工作原理，并使用与硅基集成电路工艺兼容的技术和方法，将它们异质集成在同一硅衬底上形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片的一门科学。
硅光技术是什么？
硅光子技术，一般被简称为硅光，是指以硅基材料为衬底，结合CMOS工艺，在硅晶圆上集成多个原先使用III-V族材料的光器件，并最终实现光信号处理与电信号处理的深度融合的技术。
什么是硅光芯片呢？
硅基光电子芯片包含了电子芯片、光子芯片以及光电子芯片的功能，注重光子和电子的相互作用，特别强调大规模异质集成。硅基光电子芯片拥有光的极高带宽、超高速率和高抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势。
硅光芯片具有集成度高、成本下降潜力大、高带宽和高速传输、波导传输性能优异等优势。
集成度高：硅光芯片以硅作为集成芯片的衬底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件；与传统方案相比，硅光芯片具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。
成本下降潜力大：传统的GaAs/InP衬底因晶圆材料生长受限，生产成本较高。近年来，随着传输速率的进一步提升，需要更大的III-V族晶圆，芯片的成本支出将进一步提升；与III-V族半导体相比，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。
高带宽与高速传输：由于光信号具有更高的频率和更宽的频谱，硅光芯片可以实现比传统电子芯片更高的数据传输速率，适用于大数据和云计算等需要大量高速数据交换的场景。
低能耗、电磁兼容性强：在同等信息传输量的情况下，光子的能量消耗通常低于电子，因此硅基光电子芯片在某些应用中能显著降低能耗；光通信不受电磁干扰的影响，提高了系统的稳定性和可靠性。
（传统分立器件方案对比硅光集成芯片方案）
波导传输性能优异：硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm。因此，硅对于1.1-1.6μm的通信波段（典型波长1.31μm/1.55μm）是透明的，具有优异的波导传输特性。此外，硅的折射率高达3.42，与二氧化硅可形成较大的折射率差，确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。
硅光子核心器件主要包括以硅半导体材料的光有源及无源器件，包括硅基激光器（负责将电信号转化成光信号）、硅基光探测器（负责将光信号转化成电信号）、硅基光调制器（负责将光信号带宽提升）、平面波导（负责光信号在硅基材料上传输）、光栅耦合器（负责与对外连接的光纤对准降低插损）等。
一般来说，硅光芯片主要集成了调制器、探测器、光波导、波分复用、分光器等硅光子核心部件。值得注意的是，硅光芯片的内涵并不是绝对的，各部件的可集成性依技术方案差异而存有不同。
（硅光集成电路简图）
硅光芯片主要由四个关键元器件组成，工作原理及功能如下：
光源：生产光信号的器具，通常采用激光器或LED。在硅光芯片上，通过在硅衬底上掺杂特定元素形成量子阱结构或使用III-V族化合物（如磷化铟InP）作为增益介质，当电流通过时，注入的电能可以激发这些材料产生光子，从而形成激光束。
光波导：光波导是硅光芯片的支柱，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。光波导的设计对于有效限制和操纵光、实现芯片上的高效数据传输非常重要。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。
调制器：光调制器是改变光信号强度、频率或相位的关键元件。例如，电吸收型调制器可以通过改变施加在其上的电压大小，调节通过调制器的光波的能量状态，以此编码电信号为光信号。
探测器：探测器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。
（分立元件光模块与硅光单片集成芯片对比）
由于篇幅受限，本次硅光子芯片就先介绍这么多，想了解更多化合物半导体行业动态，请您持续关注我们。
部分参考资料：
[1] 周治平. 硅基光电子学[M].（第二版）. 北京:北京大学出版社,2021
[2] 余金中.半导体光子学[M].北京：科技出版社，2015
[3]《光计算技术与产业发展研究报告》（2023），中国信息通信研究院
[4]《硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战》（郭进、冯俊波、曹国威）
[5]《硅光：“超越摩尔”新路径，厚积薄发大未来》（华西证券通信团队）
[6]《硅光技术产业深度研究：芯片出光，硅光技术开启高速与高集成度传输时代》（国泰君安证券）
[7]《中国光芯片行业研究报告》（2022年）