硅光集成技术依托 CMOS 工艺制造光电子器件
思瀚产业研究院 羲禾    2026-07-08

硅光集成技术是基于硅基材料，利用 CMOS 工艺进行光电子器件开发与集成的技术路线，其目的是将光信号的超高带宽、低传输损耗及抗干扰特性与硅基集成电路的高集成度、大规模、低成本的量产制造优势深度结合，实现芯片级的光电架构革新，并致力于为多材料体系提供异质集成的硅基平台。

（1）硅光集成技术依托 CMOS 工艺制造光电子器件

1）硅光集成工艺是依托 CMOS 平台的特色工艺

CMOS 工艺全称为互补金属氧化物半导体工艺，是目前大规模集成电路芯片制造的主流工艺之一，具有低功耗、高集成度、工艺兼容性高、制造成本低、良率高等特点。其主要工艺环节包括衬底制备、光刻、刻蚀、离子注入、扩散/退火、薄膜沉积、金属互连等。

硅光集成工艺基于 CMOS 工艺进行定制化开发以满足光电子器件所需性能要求，如更低的损耗、更快的调制速率等，工艺节点主要在 45nm 至 180nm，不依赖先进制程。正因如此，硅光集成工艺继承了 CMOS 工艺的诸多优点，有助于推动光电子器件的成本下降及更大规模的普及。

2）硅光集成芯片中的关键光电子器件

区别于以Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料为基础制造的分立形态的光电子器件或小规模集成芯片，硅光集成芯片以硅基为统一平台，在单颗硅基芯片上开发各类光电子器件，实现大规模片上集成。硅光集成芯片中的关键光电子器件包括硅光波导、耦合器等无源光器件及调制器、探测器等有源光器件。

①硅光波导

硅光波导是光信号在硅光集成芯片中传输的通道，作为硅光芯片中连接调制器、探测器等有源光器件以及耦合器、分束器等无源光器件的“光学纽带”，其设计与工艺质量直接决定了整个芯片的插损、串扰及集成规模，是硅光集成芯片中关键的基础结构单元之一。根据结构特征，硅光波导可以分为条形波导、脊形波导等，根据材料的不同可以分为 SOI 波导与 SiN 波导。

SOI 波导利用硅（折射率~3.5）与二氧化硅包层（折射率~1.45）之间极高的折射率差，将光场强烈限制在亚微米尺度的硅芯层中，通过全反射效应形成稳定的导模。这种高折射率差结构使得硅光波导具备极小的弯曲半径（可小至数微米），从而支持高密度片上集成。SiN 波导是另外一种硅光集成芯片中常用的光波导，具备超低传输损耗的显著优势，同时得益于其宽带隙物理特性在通信波段无双光子吸收效应，能够承载极高的光功率负载。将 SOI 波导与 SiN 波导进行多层异质或混合集成，已成为打破单一材料物理极限、构建高性能大规模硅光集成芯片的核心技术路径。

②调制器

硅光调制器是硅光集成芯片中的核心有源器件之一，基本功能是将高速电信号转换为光信号的幅度或相位变化，实现电信号到光载波的加载。硅光调制器的物理基础是硅的等离子体色散效应：当硅波导中自由载流子（电子和空穴）浓度

发生变化时，硅的折射率随之改变从而引起光波相位或强度的调制。根据调制器结构的不同，主流硅光调制器包括 MZ（马赫曾德尔）调制器和 MR（微环型）调制器。

MZ 调制器基于光场干涉效应工作，其基本结构由输入分束器、两条并行的相位调制臂及输出合束器构成。当光信号分路进入调制臂后，外加电信号通过改变波导材料的折射率，使两路光信号产生动态相位差，并在合束端发生干涉：当相位差为 0（或 2π 整数倍）时产生相长干涉，输出光强最大；当相位差为 π 时产生相消干涉，输出光强达到消光极小值。MZ 调制器具备电光带宽大、工艺容差大、温度稳定性好及线性度高等显著优势，但存在芯片占用面积大、行波电极功耗高及插入损耗较大等物理劣势。

MR 调制器基于光场耦合与共振原理工作，其基本结构由一根直驱总线波导与一个闭环环形波导邻近构成。当总线波导中输入光的波长满足环形波导的共振条件时，光子将被耦合进环内并因干涉相消而在输出端产生透射谱极小值；通过外加电信号动态改变环内折射率以驱动共振峰发生向位漂移，即可实现光信号的振幅调制。MR 调制器具备尺寸小、调制功耗极低及易于波分复用等核心优势，但也存在温度稳定性差、工艺关键尺寸敏感及非线性效应显著等技术劣势。

除基于硅的等离子体色散效应的 MZ 调制器和 MR 调制器外，硅基调制器还包括锗硅电吸收调制器，其基于 Franz-Keldysh 效应，通过施加反向偏压改 变材料吸收系数实现高速光调制。其优势在于与 CMOS 工艺兼容，器件尺寸也 在数十微米量级，带宽密度高，理论上可实现单通道 400G 的速率，但是存在插 损大和消光比低的局限，且工作波长窄（目前只能工作于 C 波段）。

总体来看，当前 MZ 调制器已在硅光集成芯片中大量应用。MR 调制器及锗硅电吸收调制器均未大规模应用，但在 CPO、OIO 中具备应用潜力。

③耦合器

单模光纤及激光器与硅波导之间存在显著的模场尺寸与截面形状失配，直接 耦合将导致极大插入损耗，因此必须在芯片光口处设计耦合器以实现模场转换。 依据耦合方式，主要分为端面耦合（或边缘耦合）与垂直耦合。端面耦合通过芯 片边缘的模斑转换器与外部光纤或光源进行模场匹配对准，具备超宽工作带宽、 低插损、低偏振相关损耗等核心物理优势。垂直耦合主要依托光栅耦合器实现， 支持自动化晶圆级电光测试，且在芯片平面内的布局位置灵活，然而受限于光栅 衍射的物理机制，其工作带宽较窄且偏振相关损耗显著。

④探测器

光电探测器是实现光信号到电信号转换的核心器件。在硅光集成芯片的范畴 内，通常仅指能够与其他有源和无源器件共同集成于单颗芯片上的波导型光电探 测器，作为功能单元直接应用于规模化集成的芯片中。

波导型光电探测器是指依托硅基波导平台，通过在硅衬底上局部外延 Ge 材料构建的片上集成光电转换器件。由于单晶硅材料在近红外通信波段具有光透明 性，芯片通过在硅波导末端局部异质外延生长窄带隙的 Ge 材料作为光吸收层。 当片上光信号由硅波导耦合进入 Ge 吸收区时，光子通过本征吸收激发产生电子 -空穴对，并在 PIN 结反向偏压的高强电场作用下向两侧漂移并被电极收集，从 而将光信号转化为片上高速电信号。

与之相对，行业内广泛应用的光电探测器还包括 III-V 族光电探测器与分立型 Ge 探测器两类。III-V 族光电探测器基于 InP、GaAs 等材料，具备响应度高、噪声低、工艺成熟等优势，但受限于材料体系，难以实现大规模片上集成，作为分立器件通过外部耦合方式组成光模块的接收端。分立型 Ge 探测器则以 Ge 为光敏材料，作为独立封装器件，性能稳定、可靠性高，但同样由于光入射方式的 局限无法支持规模化的片上集成，同时在 200G 及以上速率的应用场景中受到带 宽和响应度矛盾的限制。

总体来看，波导型光电探测器由于其光吸收路径与载流子收集路径的物理解 耦，成为兼顾高带宽与高响应度的理想方案，且因高度兼容 CMOS 工艺进而可 实现大规模、低成本的硅基片上集成，除当前在可插拔光模块的硅光集成芯片中 作为核心元器件大量使用，实现光功率监测与反馈、调制器工作点锁定、以及辅 助测试与故障诊断等功能，在更高速率的收发一体的 NPO/CPO 硅光集成芯片中 也有巨大的应用潜力。

3）硅光集成芯片的应用特性

根据弗若斯特沙利文数据，硅光集成芯片的终端应用主要可划分为数据通信及电信，2025 年度应用于数据通信领域的硅光模块占下游整体市场规模的72.31%，且预计占比将持续攀升。在此核心应用领域，无论从芯片维度亦或模块维度，硅光集成均展现出显著的对比优势。

①芯片维度

当前 AI 集群及超大型数据中心高速互连中，硅光集成芯片主要应用于发射端，而 III-V 族分立光电子器件方案中，发射端使用的激光器芯片主要为 VCSEL（垂直腔面发射激光器）及 EML（电吸收调制激光器）。

VCSEL 采用垂直谐振腔结构，激光垂直于芯片表面出射，核心由上下分布式布拉格反射镜（DBR）与多量子阱有源区组成，材料以 GaAs 为主，兼顾发光及调制功能。EML 将 DFB（分布反馈激光器）与电吸收调制器单片集成于 InP 衬底，利用量子限制斯塔克效应实现高速信号调制，典型工作于 O 波段和 C 波段，兼顾发光及高性能调制功能。

在硅光方案中，因硅基材料不能直接发光，因此当前主流方案使用硅光集成芯片搭配外置 CW 激光器（工作在连续波模式下的 DFB 激光器）作为光学发射单元。在该架构中，外置 CW 激光器作为光源提供高功率连续光，而硅光集成芯片则承担光的耦合、路由及高速信号调制等核心功能。

在当前可插拔光模块应用中，VCSEL 在单通道 200G 及以上速率面临带宽提升与可靠性的严峻挑战，EML 成功将单通道速率推至 200G 并支撑长距传输，但是在线性度、功耗、封装复杂度以及可靠性方面存在挑战。面向下一代单通道400G 技术演进，硅光集成芯片可基于硅基平台与薄膜铌酸锂异质集成，结合高速模拟电芯片的高效协同，在保持超高集成度本征优势的同时，较 EML 展现出显著的模拟线性度及带宽优势。

NPO、CPO 及 OIO 作为下一代光电互连架构，核心目标是突破可插拔光模块封装形态在带宽密度、功耗和信号完整性上的瓶颈。这要求光芯片具备极高的带宽密度和与电芯片共封装的融合能力，前者需要在有限面积内集成更大规模的光电子器件及通道数，后者则要求光电子器件与电芯片尽可能靠近，甚至共用同一封装基板，从而大幅缩短高速电信号传输距离、降低系统功耗与延迟。EML难以满足 NPO、CPO 及 OIO 对高带宽密度的严苛要求，且与电芯片高密度光电合封存在明显局限。而硅光集成芯片基于 CMOS 工艺，可实现大规模光电子器件片上集成，同时易与电芯片进行 2.5D/3D 共封装，是当前产业链推进 NPO、CPO、OIO 迈向规模部署的主流选择。

②模块维度

当前硅光集成芯片主要作为硅光模块的核心组件被大规模应用。光模块是一种光电收发一体的子系统，主要部署于交换机、路由器或服务器等网络设备的物理层接口。其核心功能是实现光电转换，在发送端由光源产生光载波并将高速电信号加载于其之上，通过光纤进行低损耗传输；在接收端将捕捉到的光信号转化为电信号，经放大与整形后还原为高速电信号，从而构筑起跨设备、跨机架乃至跨数据中心的高速互连通路。

一个完整的高速光模块通常包括三大模块，分别是发射端、接收端以及数字控制及信号处理单元。

A、发射端

核心器件包括激光器、调制器、驱动芯片，其主要功能包括光载波的产生以及电信号的加载。

B、接收端

核心器件包括探测器、跨阻放大器等。其主要功能是将光信号转化为电信号。

C、数字控制及信号处理单元

核心器件包括 DSP 与 MCU。其中，DSP 负责高速信号的修复与补偿，MCU则主要用于模块内部温度、电压的监控以及日常数字诊断与控制管理。

当前硅光模块的主流方案是在发射端采用硅光集成芯片搭配外置 CW 激光器的架构。外置 CW 激光器仅作为光源产生连续光载波，而电光调制以及光的耦 合与路由则全部由硅光集成芯片完成。这种将调制与光学路由高度集成的方案， 赋予了整个模块更高的集成度、更低的功耗与更具竞争力的成本结构。

与之相比，基于 III-V 族分立光电子器件光模块，其光源产生与信号调制功能多由独立的 III-V 族激光器芯片承担。该方案组装时需要大量微透镜、隔离器 等无源光元件来实现多路光路的耦合与对准，整个模块分立器件数量较多，生产 自动化难度大，整体集成度较低。

以当前 AI 集群及超大型数据中心主流部署的 800G EML 光模块（基于 III-V族分立光电子器件光模块代表）及 800G 硅光模块（硅光模块代表）来看。

综上，在模块层面，硅光模块具有高度集成化架构，可降低 BOM 成本与功耗，大幅简化光模块的封装工艺并提升生产效率，具有更高的信号质量及更低的可靠性风险，降低大模型训练中的电力消耗并减少模型无效计算回滚所带来的资源浪费与系统宕机风险，提升 AI 集群的整体运行效率与稳定性。

（2）硅光行业发展历程

硅光集成技术是一项划时代的技术，从 20 世纪 80 年代的理论构想到如今主导 AI 时代的光互连底层技术变革，历经四十余年的技术沉淀与产业迭代，其发展是市场需求与产业生态协同演进的结果，深刻诠释了颠覆性技术从原始创新、产业蓄势到商业化成熟的跨越式崛起过程。

1）1985-2004 年，硅光集成技术完成从理论构想到基础技术验证

1985-1986 年，R.Soref 与 J.P.Lorenzo 率先实验验证了单晶硅可作为 1.3μm 和1.55μm 通信波段的光波导材料，明确预见到光子器件与电子器件在硅基芯片上单片集成的潜力，并指出可借助 CMOS 制造基础设施实现规模化、低成本生产，为硅光集成技术奠定了核心发展逻辑。

1987 年，学术界基于自由载流子等离子体色散效应提出硅基电光调制理论，为后续调制器研制提供了关键物理基础。此后，SOI 晶圆技术在 1990 年代初取得重要突破，逐步构建起硅光芯片的材料基础。2004 年前后，硅基有源器件开发迎来显著进展，高速硅光调制器以及 Ge 光电探测器初步实现原型器件突破，完整的光电功能链路获得实验验证，从理论和实验上证明了硅光集成技术可满足高速数据通信需求，标志着硅光集成技术进入快速发展阶段。

该阶段，硅光行业整体处于理论提出、原理验证与基础器件研发阶段，核心技术尚未成熟，未实现商业化落地与规模化应用。

2）2005-2016 年，硅光产品从实验室走向商业应用，率先落地电信领域并初步探索数据通信应用

2004-2005 年间，Intel 与康奈尔大学等机构成功实现 GHz 级高速硅基光调制与传输验证，证明了硅光集成技术可满足高速数据通信的基本要求，为后续商业化应用奠定了重要基础。2006 年，Kotura 推出全球首款基于硅光集成技术的商

用可变光衰减器（VOA），凭借与 CMOS 工艺的高度兼容性，实现了器件小型化与低功耗，为硅光商用化提供了早期示范。2008 年，Luxtera 推出 40G 硅光集成芯片，验证了硅光集成技术在规模化制造中的可行性。2013-2014 年，Acacia将相干光通信技术与硅光集成平台结合，推出 100G 相干光模块，显著提升了灵敏度和带宽性能，成功将硅光应用于长距离通信，显著提升了灵敏度和带宽性能。2016 年，Intel 推出 100G 硅光模块，在数据中心光互连领域实现量产并获得市场份额，标志着硅光在短距数据通信中的初步应用。

该阶段，硅光行业成功完成从实验室研发到商业化应用的跨越，首先在电信领域实现应用，初步拓展至数据中心应用。

3）2017-2022 年，技术积累与蓄力，硅光迈向高速率发展的关键过渡期

本阶段为硅光集成技术从25G/50G NRZ方案向单通道100G PAM4方案跨越的关键窗口期，行业聚焦核心技术打磨，旨在通过突破硅基调制器带宽瓶颈、降低光波导传输与耦合损耗，改善高频电磁串扰，为后续高速率、大带宽光互连的大规模产业化落地奠定坚实基础。

在此期间，高速率技术验证与方案迭代持续加速，硅光芯片实现单通道速率的成倍跨越。厂商通过优化多通道集成架构，改进高频硅光调制器结构设计，结合光电联合仿真与 DSP 算法优化，进一步释放了大规模多通道集成的潜力，有效抑制了高速传输下的通道间高频串扰。国内外头部厂商相继完成总带宽 400G（4×100G）硅光模块的原型开发与小批量交付，成功验证了硅光方案在高带宽场景下的架构适配性。

虽然本阶段硅光方案在高速率验证与架构适配上实现了突破，但受限于早期量产良率、晶圆级光电测试效率低下、高精度光纤耦合封装良率不足等问题，硅光仍处于商业化蓄力期，市场渗透率整体维持在较低水平。

4）2023 年至今，硅光方案实现高性能突破，数据通信成为核心应用场景，初步探索多元化应用

2023 年以来，生成式 AI 及大模型训练的快速发展推动全球算力需求，AI集群内部服务器与交换机、交换机与交换机之间的东西向流量呈指数级增长，基于 III-V 族分立光电子器件的方案在功耗、综合成本及高密度自动化封装上面临着愈发严峻的物理与商业挑战。

国内外硅光企业和团队在外置光源的高效低损耗耦合、以及超高带宽电光调制两大核心瓶颈上取得实质性突破，通过光电全链路的协同优化与高密度集成设计，硅光方案在超高速、超高密度光互连场景中，相比基于 III-V 族分立光电子器件的方案已展现出明显的低功耗、低成本与产能扩张等优势。

目前，硅光芯片已进入大规模商业化应用阶段，中国头部光模块厂商的400G、800G 硅光模块已实现向全球顶级云服务商的规模化批量交付，单通道200G 的 1.6T 高速硅光产品也于 2026 年正式迈入规模部署阶段。作为一项平台型光电集成技术，硅光方案正加速向多元化场景渗透。例如，Apple 正积极研发基于硅光集成芯片的片上无创血糖监测技术，目标是将这一前沿光学传感功能集成至可穿戴设备；FMCW 激光雷达先驱 Aeva 持续专注研发基于硅光集成的 4D激光雷达，已被纳入 NVIDIA 自动驾驶汽车参考平台，正加速赋能高阶自动驾驶的商业化落地。

总体来看，当前全球光互连底层架构正步入由硅光集成深度引领与加速替代的新阶段。在 AI 算力基础设施持续扩张的背景下，数据通信成为硅光集成技术当前最核心的应用领域，同时其作为底层通用光电平台，正驱动下游应用呈现出多元化蓬勃发展态势。

5）未来发展展望

展望硅光行业后续发展，将呈现三大发展趋势。一是数据通信领域持续爆发，可插拔硅光模块继续在 Scale out 中保持快速增长趋势并向更高的单通道速率演进，NPO、CPO 有望率先在 Scale up 中快速渗透，亦可应用于 Scale out；二是应用场景泛化，向自动驾驶、可穿戴设备、工业传感、医疗诊断等领域延伸；三是硅光集成技术平台化，产业生态逐步向成熟的集成电路模式演进，随着制造与封装环节的标准化，产业核心驱动力将全面聚焦于前端，硅光集成芯片的设计研发逐步成为构建技术护城河的核心环节。