什么是硅光子技术？支撑光通信的技术基础

📌 三行读懂本文

• 硅光子技术（Silicon Photonics）是利用半导体制造工艺（CMOS工艺）在硅基板上构建光回路的技术
• 在数据中心光通信、激光雷达（LiDAR，利用光的测距传感器）等广泛领域，其应用不断扩大
• 除芯片内部的技术外，构成芯片外侧的部件（外壳等）的材料选用，也是影响封装完成度的重要要点

什么是硅光子技术

硅光子技术是应用半导体芯片制造所用的CMOS工艺（制造集成电路时的标准制造技术），在硅基板上一体化构建传光回路（光波导）以及将光转换为电信号的部件的技术。以往，光通信用部件是将单独制作的光学部件组合而成的，而硅光子技术可以在与电子电路相同的生产线上量产光回路，因此更容易实现微细化和集成化。

这项技术目前受到关注，是因为可以沿用现有的半导体制造基础设施（设备、工艺）。几乎不需要从零开始打造新材料或专用生产线，据称在量产时的成本效率方面具有优势。

工作原理：将光限制在波导中的机制

折射率差带来的光限制

硅光子技术的核心是“光波导”。它是在基板上缩小再现光纤的结构，利用传光的芯层（纤芯）与包围它的包层的折射率（表示光弯折难易程度的指标）之差，将光限制在固定的路径中。

硅（Si）在波长1.55μm（1550nm）下的折射率约为3.45，用作包层的二氧化硅（SiO₂，石英玻璃的主要成分）的折射率约为1.45。由于这一差值非常大，光在芯层与包层的交界处被高效反射，从而能够将光限制在细小的波导中进行传输。

通信波段（1310nm、1550nm波段）

光纤通信使用1310nm波段和1550nm波段这两个特定波段。它们是石英系光纤中传输损耗（光减弱的程度）较小的“低损耗窗口”，是业界广为人知的波段。1550nm波段损耗更小，被认为有利于长距离传输；1310nm波段的波形展宽（色散）较小，因此倾向于用于中距离用途。

主要构成器件与应用领域

光源、光波导、调制器、受光器这一基本构成

硅光子芯片大致由以下要素构成。

• 光波导：传输光的路径本身
• 光调制器：将电信号转换为光的强弱或相位变化的部件
• 受光器（光电探测器）：将光信号还原为电信号的部件
• 光源：产生激光的部件（硅本身发光效率低，因此通常与其他半导体材料组合使用）

将这些器件集成在一块基板上，可以把高速转换电信号与光信号的回路紧凑地集成在一起。

应用领域

具有代表性的应用领域是数据中心内部及数据中心之间的光通信。近年来，被称为“CPO（Co-Packaged Optics，共封装光学）”的封装方式备受关注。这是将交换机用半导体芯片（ASIC）与处理光信号的光引擎，近距离布置在同一封装基板上的技术，通过缩短电气布线的距离，旨在缓解功耗和带宽方面的限制。此外，自动驾驶汽车等使用的激光雷达（LiDAR，利用光的测距传感器），以及日本国内正在推进研究的新一代光电融合网络基础设施，也有望应用该技术。

封装方面的课题：不能只在芯片内部解决

耦合效率与对准精度这一技术难点

硅光子技术的实用化，不仅涉及芯片内部的技术，还有如何将芯片与光纤高精度连接的课题。特别是连接光纤与芯片上的波导时的“耦合效率”（能够以多小的损耗传输光），以及位置对准的精度（对准精度），在多篇技术解说文章中也被指出是封装上的难点。

也要关注支撑芯片外侧的部件

承担这种耦合与定位的，是将光纤集束并固定的FAU（光纤阵列单元，Fiber Array Unit，即高精度排列并保持光纤的部件）、保护光引擎的外壳，以及高精度固定透镜的微透镜阵列（将微小透镜排列成面状的光学部件）的保持部件等，也就是构成芯片外侧的部件。

这些部件目前以石英玻璃和陶瓷等材料为主。关于硅光子技术的解说文章，大多聚焦于芯片内部的回路技术，从这些周边部件实际使用何种材料制造这一角度撰写的文章并不多见。然而，在考虑量产时的成本和轻量化时，构成芯片外侧的部件的材料选用也是不可忽视的要点。特别是随着CPO（Co-Packaged Optics）这类高密度封装光引擎的方式不断普及，这些部件被要求小型化、轻量化和适合量产的场合预计会越来越多。

Iupizeta EP这一选择

在光学树脂领域，折射率（nd）与耐热性（玻璃化转变温度：Tg）的平衡十分重要。三菱瓦斯化学的光学树脂“Iupizeta EP”作为按用途提供材料方案的一环，正在推进更高耐热开发材料的研究。

例如，我们正在开发具有以下物性的树脂。

开发材料A：折射率nd=1.61，Tg=264℃

开发材料B：折射率nd=1.63，Tg=280℃

两者在光通信中广泛使用的1310nm波段和1550nm波段均表现出高内部透过率，我们的目标是在确保光学部件基本性能的同时，实现也能满足封装工序中容易成为课题的耐热要求的材料设计。

此外，本开发材料与热塑性聚酰亚胺（TPI）和聚醚酰亚胺（PEI）相比，吸水引起的尺寸变化要小得多，其特点是即使在环境变动下，也容易确保定位精度和耦合稳定性。同时，其双折射也远低于TPI、PEI，适合需要抑制偏振相关波动和光学畸变的用途。

设想的用途包括透镜保持部件、光学部件的固定与一体化部件、外壳周边的树脂部件等，即在硅光子封装中需要同时满足“光学特性”“封装耐热性”和“环境稳定性”的领域。关于是否适用于您的要求规格以及具体条件，欢迎随时咨询。

总结｜硅光子时代的材料选用

随着CPO等高密度封装方式的普及，硅光子技术不仅要从芯片内部光回路技术的角度来考虑，还要把支撑它的封装部件的材料选用一并纳入考虑，这样才能看清整体封装的完成度。Iupizeta EP这样的光学树脂，也有可能成为其中的选择之一。

关于Iupizeta EP的详细信息，请通过Iupizeta EP官方网站联系我们。

本文中部分图片与文字使用了生成式AI辅助制作。