硅光技术:AI时代的“刚需之王”!

我们平时使用的手机、电脑等电子产品，内置的是电子芯片。这种芯片是基于电子器件的集成电路，通过电子器件内的电子流来实现信号传输和处理。光子芯片是基于光子器件的集成电路，通过光的传输和调制来实现信号传输和处理，在传输速度、能耗和带宽上具有较大优势。其中，数据传输速度约是电子芯片的千倍，适用于大规模数据计算以及人工智能加速计算等前沿领域。

中国数据规模增长预测

随着全球数字化进程加快，海量信息的高速传输和处理对当前半导体芯片性能的要求不断提高。预计至2030年，中国的数据规模将达到4YB(尧字节，4×2⁸⁰字节)。大带宽、低功耗和集成化的数据互联需求对现有技术不断提出新的挑战。硅光技术结合了成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)大规模集成工艺平台，又能充分发挥光子作为传递信息载体所带来的高速率、大容量、低串扰、抗干扰的传输优势，成为突破上述危机的有效途径。（注：2026年8月，中粉会展将在江苏苏州举办2026光电共封装技术与硅光芯片产业研讨会，届时我们邀请到浙江大学微电子集成系统研究所所长储涛教授出席大会并作题为《硅基光子集成核心技术：引领未来智算网络发展》的报告，储教授将重点介绍其团队针对多种光电子芯片集成瓶颈技术研究的重要突破，欢迎前来参会交流。）

什么是硅光技术？

比利时根特大学的Bogaerts教授和Baets教授，以及英属哥伦比亚大学的Chrostowski教授认为，硅光技术是利用互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）工艺实现片上大规模光学功能集成的技术；意大利特伦托大学的Pavesi提出，硅光技术是指采用主流微电子工艺制造光器件的技术。

光子集成芯片的概念图

北大周治平教授认为，所谓硅基光电子学，就是研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。其核心内容就是研究如何将光子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成，即利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级、以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片。尽管不同学者对硅光的定义存在差异，但都突出强调了利用微电子工艺实现大规模光器件制备这一核心理念，也即光器件的“硅化”。

需要注意的是，大多数硅光研究并不追求光器件与微电子器件在单片上的完全集成。目前的主流方法是通过兼容微电子工艺制造硅光芯片，并与微电子芯片采用混合集成方式进行联合设计和封装。在国际上，仅有极少数工艺厂能够实现光子器件和电子器件在同一硅衬底上的大规模单片集成。

硅光技术的发展史

1969年，美国贝尔实验室的Miller教授基于日趋成熟的集成电路设计思路，提出了“光子集成芯片的概念”。

在20世纪发展比较缓慢，且在1994年才出现了无源光器件集成的光学系统(只包括波导、耦合器、滤波器等)。基于有源光器件(激光器、调制器、探测器等)的光子集成芯片的发展更加缓慢，在2004年美国英飞朗公司(Infinera)才实现了有源光器件与无源光器件的大规模成。2010年后产业化进程加速，美国英特尔公司(Intel)、美国博通公司(BroadcomCorporation)、美国思科系统公司(CiscoSystems,Inc.)、法国意法半导体(STM)公司、中国中际旭创股份有限公司和中国成都新易盛通信技术股份有限公司等分别实现了光器件、光芯片和光模块的产品化。 

图片来源：Pixabay

据了解，华为曾经投入大量资源研发硅光芯片，在2018年首次展示了硅光子芯片的样品，并申请了相关专利。然而，华为在硅光芯片领域的研发进展缓慢，并且最终没有实现大规模商业应用。谷歌在2015年曾宣布成功研发出硅光芯片，并展示了其高速数据传输和处理的能力。然而，在随后的几年里，谷歌并未公开宣布任何关于硅光芯片技术的实质性进展。中国科学院微电子研究所研究员、硅光平台负责人李志华曾向《中国电子报》记者表示，市场规模较小是阻碍硅光芯片发展的一大因素，硅光芯片的应用领域主要集中在数据中心和长距离通信等高端市场。在AI市场爆发之前，这些市场的需求相对有限，限制了硅光芯片的发展。外加彼时芯片制程的发展还暂未接近物理极限，人们热衷于通过缩小芯片制程来提升芯片的性能，而非通过硅光子技术提升芯片性能。这也导致了硅光子在此前的发展不及预期。

如今，硅光芯片迎来风口，这项技术开始慢慢从“幕后”走向了“台前”。

这是由于，当前AI技术的快速发展带来数据处理和传输需求增长，硅光芯片正是一种能实现高效、快速、低成本处理和传输大量数据的技术。此外，随着芯片制程逐渐趋于物理极限，“超越摩尔技术”的概念也随之被提出。由于光子芯片对工艺节点的要求不如电子芯片那样严苛，降低了对先进制程的依赖。因此，硅光芯片在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题，也成为了“超越摩尔定律”的关键技术。

硅光技术优势

与传统光模块方案相比，硅光技术具备四大独家优势：

1.性能更强：硅光芯片通过将多个光学元件集成在单一芯片上，实现更短的内部互连、更低的传输损耗和更高的带宽密度。目前，硅光模块单波速率已突破200G，支持1.6T及以上超高速传输，比当前主流800G再翻一倍；3.2T硅光模块已进入试产阶段。

2.成本更低：利用成熟的CMOS工艺，直接在硅基衬底上实现光电子器件的集成制造。这带来了高集成度、规模化生产、以及低功耗的优势。目前，硅光模块的发展已进入第三波高峰，正从实验室创新向规模化产业应用跃迁。

3.功耗更低：CPO架构将光引擎与GPU/交换机芯片距离缩至5mm内，功耗降至传统模块1/3。其中，1.6T硅光模块功耗可低至7.2W，较传统方案（18W）降低60%。

4.产能弹性：硅光产能弹性的根源在于硅光技术依托CMOS制造生态，拥有全球产能支撑。硅光芯片生产过程可以利用全球CMOS晶圆厂的庞大产能网络，扩产能力和效率超过专用的III-V族芯片产线。同时，具备硅光能力的Foundry可以在不同工艺节点和产品之间根据市场需求进行产能动态调配，增强了整个供应链的抗风险能力。

硅光技术的应用

硅光芯片作为光子技术与半导体技术融合的创新型平台，其应用价值已从基础的通信领域延展至多学科交叉的前沿领域，重新定义了信息技术的物理边界。

硅光芯片的应用领域

在光通信领域，随着6G时代的到来，6G系统的密集组网对硅光芯片的需求激增，硅光芯片和模块在光通信领域已经开始逐步加速取代传统光模块。华为最新发布的800G硅光模块采用异质集成技术将半导体激光器与硅波导耦合，传输损耗降至0.3dB/cm，相较传统III-V族光模块体积缩小60%，功耗降低45%。

在数据中心领域，随着互联网和物联网迅速崛起和发展，数据中心对信息流量和速度要求剧增。传统的电互连会在服务器中产生大量热量，从而使30%以上的功耗用于散热。硅光芯片具有更低的能耗和更高的集成度，是实现低功耗、高速率和大带宽服务器的可行性方案。

在光计算领域，利用硅光芯片技术中光的特性，如低延迟、低损耗、超宽频带、多维复用和波动特性等，设计构造软硬件深度融合的光电计算体系。在特定的计算应用场景中，可以突破传统微电子处理器的局限，实现更高的能效。

在激光雷达领域，硅光技术可以将有源和无源分立器件集成在同一个芯片上，使激光雷达体积更小、稳定性更强、成本更低。

在生物医疗领域，利用其高灵敏度的光子探测特性，开发出微型化流式细胞仪和DNA测序仪，单细胞分析精度达到亚微米级，大幅度降低了精准医疗设备的体积与成本。

在量子技术领域，单光子源与探测器的集成为量子通信与量子计算的可扩展性提供了硬件基础。中国科学院大学在国际上首次实现基于半导体量子点的高效率和高全同性的单光子源，提取效率达到66%，单光子性优于99.1%，全同性优于98.6%，在国际上首次同时解决了单光子源的三个关键问题，为实现基于固态体系的大规模光子纠缠和量子信息技术奠定了科学基础。

这种跨维度的技术渗透不仅重塑了现有产业格局，更在底层架构层面推动了信息社会向“光时代”的范式转移，其意义已超越单一器件的革新，正在重构人类处理信息的根本方式。

硅光产业链分析

上游：硅基材料（硅片、SOI衬底），主要包括SOI衬底、磷化铟（InP）&砷化镓（GaAs）、薄膜铌酸锂等核心材料。

SOI衬底：绝缘体上硅衬底（SOI）是硅光芯片最主要的载体，其利用硅与二氧化硅的折射率差异构建光波导结构，具备低传输损耗(＜0.1dB/cm)、CMOS工艺兼容等优良特性。

磷化铟（InP）&砷化镓（GaAs）：用于弥补硅材料自身的光学局限性，尤其是其间接带隙特性导致的光发射效率低下问题。

薄膜铌酸锂（LiNbO3）：这是高速调制器的关键材料，带宽大、损耗低，适用于3.2T及以上速率。富士通、住友电工、美国HyperLight等国际大厂占据市场前列。

中游：硅光模块产业链的核心部分，包括硅光芯片的设计、制造、封测等环节。

封装和测试：将硅光芯片、电芯片、光纤、PCB等组件集成，并进行功能和性能测试。封装难度较大，需高精度光学对准，代表企业如中际旭创。

硅光设备：为芯片制造和封装提供工具和仪器，对精度和准确性要求高。

下游：系统集成商或终端客户。

系统设备商：光模块配套交换机、服务器等主设备整体化解决方案交付，如Mellonox、思科。

终端厂商：如谷歌、亚马逊等云大厂直接向光模块公司采购。

硅光模块全球企业格局

全球硅光模块市场已形成“北美创新、中国制造”的双极格局，中国企业在封装环节占据主导地位。

国际龙头企业

1.英特尔（Intel）：硅光技术开创者，垂直整合能力强，市占率达61%。推出集成硅光解决方案，覆盖数据中心、网络通信等多场景。

2.英伟达：通过Quantum-XCPO交换机整合硅光技术，GB200平台采用1.6TCPO模块，功耗降至9W，2026年将推出2.5DCPO方案。

3.博通：推出每通道200G的CPO技术，单芯片支持102.4Tbps交换能力，在高速调制器领域技术领先。

本土核心7大企业

1.中际旭创：全球光模块龙头，800G产品已切入Meta、亚马逊供应链，1.6T模块批量交付，3.2T技术研发领先。2025年上半年净利润增长69.40%，稳坐全球市占率第一宝座。

2.新易盛：高速模块黑马，1.6T光模块率先批量出货，泰国工厂产能释放推动上半年营收激增282.64%，净利润同比增长355.68%。公司斩获英伟达等头部客户订单，增速冠绝行业。

3.天孚通信：光器件隐形冠军，为CPO提供透镜、光纤连接器等核心组件，硅光方案领先同业两年。2025年三季度净利润同比增长37.46%，绑定英伟达封装技术供应链。

4.光迅科技：国内唯一实现“芯片-模块”全链闭环的企业，800GDR8硅光模块批量出货，1.6T模块已实现量产。

5.长飞光纤：CPO用特种光纤实现国产替代，海外收入占比超30%。2025年新增订单同比增长120%，主导国际光纤标准制定。

6.华工科技：800G光模块市占率超25%，开发“光放+波分+模块”DCI解决方案。承接XAI算力集群20亿订单中的2亿份额，切入特斯拉供应链。

7.德科立：硅基光波导产品实现纳秒级时延，功耗较电交换降低80%，获英伟达2500万美元样机订单。泰国产能2026年释放，全球化布局加速。

硅光技术未来趋势

硅光芯片并非取代传统的集成电路技术，而是在后摩尔时代，帮助集成电路扩充其技术功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圆开发出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造设备和技术与传统集成电路基本一致，技术迁移成本较低，这也成为了硅光芯片得天独厚的优势。

基于此，硅光芯片也有了更多的市场需求。国际半导体产业协会（SEMI）预测数据显示，2030年全球硅光子学半导体市场规模预计将达到78.6亿美元，预计复合年增长率将达到25.7%。

要想与更多行业人士探讨硅光技术，中粉会展将于2026年8月在江苏苏州举办的2026光电共封装技术与硅光芯片产业研讨会，届时，浙江大学微电子集成系统研究所所长储涛教授将出席大会并作题为《硅基光子集成核心技术：引领未来智算网络发展》的报告。

参考来源：

[1]谭旻.光电融合芯片：基本概念与未来展望

[2]葛庆.面向规模化硅光芯片的高功率异质集成III-V族分布反馈激光器及其阵列研究

[3]硅光芯片从“幕后”走向“台前”.中国电子报

[4]MantaRay

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