硅光子技术:点亮更高效数据中心之路

光子互连：AI算力驱动下的数据中心新路径

　　光子互连有望提升带宽密度，同时显著降低功耗，AI 算力需求正推动其在数据中心落地应用。

　　但光子互连需整合多种异质材料，带来工艺兼容性、热应力与机械应力等难题。

　　集成电光 I/O 模块是终极目标，前提是攻克其设计与工艺挑战。

　　光纤传输信号比铜线更快、更高效，已成为全球通信网络的首选介质。在数据中心机架间、板间等短距场景，工程师希望将光学元件微型化，以释放光纤带来的节能优势。

　　AI 算力负载与其他高性能计算（HPC）负载的核心差异在于数据传输量。大语言模型（LLM）查询在用户与数据中心之间的 “南北向流量” 与传统搜索相近，但数据中心内部的 “东西向流量” 要大得多。GPU 集群与单颗 GPU 需对超大规模数据阵列执行简单乘加运算，而带宽瓶颈不仅限制整体性能，也是功耗的主要来源。

　　去年被 AMD 收购的硅光子初创公司 Enosemi 在白皮书中估算，前沿高性能专用集成电路（ASIC）近一半功耗消耗在数据传输环节。

决定互连效率的四大关键指标

　　格芯（GlobalFoundries）首席商务官迈克・霍根提出，决定互连效率的四大关键指标：

• 传输距离：信号无需放大即可传输的长度；
• 带宽密度：单位面积传输比特数；
• 能效：单位能耗传输比特数；
• 计算效率：计算资源的整体利用率。

　　在短距场景中，光学元件尺寸偏大限制了带宽密度。要兑现光子互连的节能价值，光学元件必须与所连接的电子电路同步微型化。

行业探索的三种技术路线

• 可插拔组件：尺寸较大、模块化、易集成，但需较长连线连接控制电路，适合板间、机架间及数据中心跨区连接。
• 共封装光学（CPO）：将分立光学元件与电子控制电路集成，通常采用引线键合连接。
• 光 I/O（OIO）模块：将光、电芯片合为一体，整体表现如单一部件。

光子互连核心组件

　　无论尺寸大小，光子互连的基础组件一致：

光源

　　数据中心场景主流采用磷化铟（InP）激光二极管。激光器件需承受更高电流与温度，是光子电路中可靠性最弱的环节；封装前筛选合格激光器至关重要，可插拔组件的优势在于便于更换故障激光器。

调制器

　　将连续激光转换为数据比特流，决定传输速率。比利时微电子研究中心（imec）在 2025 年 IEEE 电子器件会议（IEDM）指出，铌酸锂（LiNbO₃） 可实现超 100GHz 带宽，高效低损，但尺寸大且存在锂污染风险，不适合与硅直接集成。新加坡研究团队通过微转移印刷技术，将图案化铌酸锂调制器转移到硅基底，避免直接生长带来的污染。而 CPO 尤其是 OIO 方案更常用硅基谐振器，通过加热器调控掺杂硅环的折射率实现调制。

NLM 光子技术公司 CEO 布拉德・布斯表示，硅并非高效调制材料，替代方案仍在探索中。该公司方案是将发色团掺入小分子有机玻璃，通过相邻硅器件实现电场开关调控。

波导

　　传输调制后的光信号，硅在目标波段下是低损耗优质波导材料。CPO 与 OIO 集成模块采用硅基或有机中介层，可内嵌光子组件。

光电探测器

　　锗（Ge） 是适配的探测器材料。

耦合器

　　负责在不同折射率材料间传递光信号，耦合损耗占系统总损耗比例较高。耦合方式包括光纤贴靠光源、聚合物桥接间隙等，设计需避免光学缺陷，实现折射率渐变过渡。

　　光学电路需配套控制电路驱动调制器、处理探测器信号等。缩短控制电路与光学元件的距离，可提升性能、降低功耗。

图 1：学的基本构建模块。(a) 单偏振光栅耦合器，(b) 微环调制器，(c) 微环调制器的耦合间隙，(d) 双微环谐振器。

光电集成挑战

　　异质集成的核心目标就是缩短互连距离，集成光学面临的诸多问题与先进封装共性问题一致：单个组件技术成熟，但低成本规模化连接是难点。

　　光电融合还带来新挑战：

• 法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）在硅中介层中嵌入波导等硅光子组件，需预留光路连接表面激光器与探测器，同时通过硅通孔（TSV）连接调制器与封装底部。但这些结构产生的机械应力会引发光学畸变、增加损耗，因此中介层与系统级封装设计工具必须能模拟热应力与机械应力的光电双重影响。该团队研发负责人让・沙博尼耶表示：“我们必须自定义设计规则，实现光电元件混合集成。”
• 调制器依赖加热器调控谐振频率，通过热隔离可显著节能。
• 锗探测器可直接在硅上外延生长，但所需厚锗层与先进晶体管的超薄硅锗纳米片工艺不兼容，锗外延成本可占电路总成本的 40%。
• 科研场景中，磷化铟激光器通常单独制备，通过微转移印刷贴装到中介层，小批量处理便于筛选合格器件；商用规模化方案方面，日本 NTT 团队实现磷化铟晶圆与硅晶圆键合，原位生长铟镓砷磷（InGaAsP）激光器。

　　电路的电子部分可在标准 CMOS 产线制造，通过铜 hybrid bonding 与中介层连接，设计中同样需考虑光学元件的热应力与机械应力。

　　尽管面向硅电路同步缩放的全集成光子互连仍需大量研发，但行业目标高度一致。霍根表示：“计算厂商、网络龙头与硅供应商已形成共识 ——东西向流量规模化必须依靠光学互连。”