1 AI浪潮下硅光模块产业化进程加速

1.1 硅光模块：下一代高集成光传输模块（从分立器件向硅光技术发展）

硅光模块是基于硅光子技术的新一代光通信器件，其应用场景跟传统光模块类似，高集成度及兼容CMOS工艺成为其核心优势。硅光模块以硅光技术为核心，将激光器、调制器、探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上，再与DSP/TIA/DRIVER等电芯片组成硅光模块；传统光模块中各器件分立，需要连接与封装。硅光技术以其材料特性以及CMOS工艺的先天优势，能够很好的满足数据中心对更低成本、更高集成、更低功耗、更高互联密度等要求，重要性将愈加凸显。Photonics-SOI（Photonics Silicon-On-Insulator）绝缘体上硅材料平台可以让标准CMOS晶圆厂实现了高速光发射器和接收器芯片的大批量生产晶圆，为数据中心内链路提供了高数据速率和高性价比的收发器解决方案。

1.2 硅光模块以硅光芯片为核心，与电芯片一起封装组成模块

硅光模块：将光源（部分异质集成在硅光芯片上）、硅光芯片，DSP、TIA、CDR、驱动器等电芯片集成到一个PCB 板上并通过金属外壳封装。

硅光芯片：将调制器阵列、探测器阵列、耦合器、复用/解复用器件、光波导等细分光芯片集成在单个硅基芯片上。

➢ 有源光芯片包括激光器、调制器、探测器等。激光器是将电信号转化为光信号的关键器件，采用III-V族化合物例如InP；调制器将输入的电信号通过物理效应转换为光信号，精确调控光波的强度、相位或频率等参数，以实现信息在光纤中的高效传输；探测器通过光电效应将接收到的光信号转换为电流信号。

➢ 无源光芯片包括光波导、耦合器、复用/解复用器件等，分别用于光路由、光信号与硅光芯片的耦合以及波分复用/解复用。

1.3 硅光模块相比传统光模块拥有高集成度、低成本、低功耗优势

相较传统分立光模块，硅光模块具有高集成度、低成本、低功耗等优势。

高集成度：基于硅基CMOS工艺，将激光器、调制器、波导、光电探测器等光电器件单片集成于单一硅芯片，组件数量大幅减少，体积缩小约30%。

低成本：（1）相较于III-IV族材料，硅在自然界中丰度优势显著，成本远低于III-IV族材料；（2）通过集成化设计减少封装工序，组件与人工成本下降；（3）外置激光器方案具有成本优势。整体硅光模块相比传统光模块成本减少约

20%。

低功耗：（1）高密度集成减少了分立器件之间连接的损耗；（2）由于不需要TEC来管理温度和性能，功耗降低了近40%。

1.4 硅光技术发展30年，硅基调制器和激光器商业化是发展转折点

2004年，英特尔研制出首个1Gb/s硅光调制器，基于载流子色散效应，采用反向偏置PN结结构。2006年，英特尔与UCSB合作实现硅基混合激光器，通过晶圆键合将InP激光器与硅波导耦合，解决片上光源问题。2008年，英特尔推出“雪崩硅激光探测器”，带宽提升至340 GHz，采用行波电极设计优化射频响应。2010年左右，Intel和IBM相继针对芯片间的光互联进行了研究并分别实现了 50Gb/s 和 160Gb/s 的传输速率。2013年Luxtera推出首款商用级100G QSFP28硅光模块，采用CMOS工艺实现单片集成，主要面向数据中心短距互联（如DR4场景）；2016年，Intel推出了100Gbit/s QSFP28 硅光模块。

2013年左右成功实现硅光模块商业化的公司都掌握了硅基高速调制器方案，实现了高效耦合和低成本，激光器解决方案包括外置激光器和异质键合。

1.5 硅光模块主要应用在数据中心通信和电信网络通信

应用趋势：随着移动互联网和云计算的发展，数据中心的计算能力和数据交换能力呈指数级增长，光通信的应用主体从运营商网络转向数据中心。硅光模块应用场景与光通信应用场景基本相同。Lightcounting 预测，硅光模块在光模块中的整体份额将从2023年的34%提升至2029年的52%。

电信网络的光通信应用：1980年代光纤诞生以来，光通信应用从骨干网到城域网、接入网、基站。目前国内传输网络基本完成光纤化，但数据在进出网络时仍需要进行光电转换；未来向全光网演进。硅光模块在骨干网、城域网等长距离传输场景中发挥重要作用。

数据中心的光通信应用：1990年代开始，光通信应用从中短距离的园区、企业网络延伸到大型数据中心的系统机架间、板卡间、模块间、芯片间应用。近两年AIGC革命拉动新一轮数据中心网络发展，对光模块带宽及速率提出更高要求。硅光模块凭借高集成度、低功耗、低成本等技术优势，已成为数据中心通信领域的核心解决方案，主要应用于数据中心内部服务器间、机柜间及数据中心互联的短距传输场景。

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