所謂硅光子集成技術，是以硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學介質，通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應的光子器件和光電器件（包括 硅基發光器件、調制器、探測器、光波導器件等），并利用這些器件對光子進行發射、傳輸、檢測和處理，以實現其在光通信、光互連、光計算等領域中的實際應用。硅光技術的核心理念是“以光代電”，即采用激光束代替電子信號傳輸數據，將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微芯片中。在硅片上用光取代傳統銅線作為信息傳導介質，大大提升芯片之間的連接速度。

　　硅光子芯片示意圖（source：IBM）

　　硅光子芯片結合了以微電子為代表的集成電路技術的超大規模、超高精度的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢。硅光子技術能夠解決400G通信時代需要面對的PAM4電調制方案帶來的巨大損耗和8*50G的QSFP-DD方案引發的器件數量增加與工作帶來溫度提升帶來的溫漂等挑戰性問題。

　　集成硅光子的時代將來臨

　　硅光子架構主要由硅基激光器、硅基光電集成芯片、主動光學組件和光纖封裝完成，使用該技術的芯片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過光電效應轉換為光信號發射到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊芯片后再轉換為電信號。

　　硅光子(SiP)實現廉價且規模生產的光連接，從根本上改變光器件和模塊行業。未來三五年內，這種情況還不會發生，但硅光子技術可能在下個十年證明它是破壞性。基于硅光子的光連接與電子ASIC、光開關，或者(可能)新的量子計算設備的集成，將打開一個廣闊的創新前沿。

　　預計到2022年，硅光子光收發器市場將超20億美元，在全球光收發器市場中占比超20%。從出貨量來看，到2022年，硅光子光收發器在總光收發器出貨量中的占比將不到2.5%。這些產品中的大多數將是高端產品--100G或以上速率，因此定價也相對較高。

　　這似乎與許多業內專家的期望相悖，即希望硅光子能實現廉價且規模生產的光連接，并且取代現有的InP和GaAs平臺。然而，如果硅光子的主要優勢是集成，它將會是最適合需要大量集成的復雜高端設備的技術。未來十年或二十年，分立、2X和4X集成產品(將2個或4個光功能組合到單個發射器或接收器上面)將持續依賴InP和GaAs技術。事實上美國在InP等光集成領域同樣取得了領先世界的成就，由于硅并不能直接產生激光，相比InP材料存在一定弱勢，其商用步伐也落在InP材料器件之后。光集成一定是光通信器件的發展方向，很難說未來三五年各種光集成技術將取得怎樣的突破，所以硅光子能在多大程度上成功替代還有待觀察。

　　但是在支持者眼中，硅光子幾乎是光通信走向集成的唯一選擇。一方面是因為在硅光子領域已經走得很遠，尤其是美國。另一方面，許多硅光子學可以利用的新應用，包括高性能的電腦、電信、感測器、生命科學以及量子運算等高階應用。此外，還有兩項新興應用對于硅光子而言也特別令人感興趣--瞄準自動駕駛車應用的雷達(Lidar)，以及生物化學與化學感測器，均可從整合的光學功能以及進一步的微型化中受益。而且硅光子晶片將會遠遠超越銅布線的能力，而其解決方案可望部署于高速的訊號傳輸系統中。

　　硅光子芯片的難題

　　硅光子早在1980年代的電子行業便處于成熟階段，但在光電子行業還有一些挑戰需要克服，包括光源（低成本、低速率<50Gb/s）、更小調制器（便宜、更好的峰值驅動性能、低功耗）、水平封裝及晶圓規模化測試、設計和軟件（光學軟件定制化和客制化）、成熟的供應鏈及制造工藝。

　　正如中國電子科技集團公司第三十八研究所的郭進、馮俊波和曹國威在其題為《硅光子芯片工藝與設計的發展與挑戰》的論文中所指出，與微電子工藝相比，硅光子在總體路徑、版圖、工藝和材料方面都有其特殊性，那么在工藝的開發過程中就必須考慮到溫度預算、污染控制和關鍵工藝等問題。他們指出，硅光子集成的工藝開發路線和目標比較明確，困難之處在于如何做到與 CMOS 工藝的最大限度的兼容，從而充分利用先進的半導體設備和工藝，同時需要關注個別工藝的特殊控制。硅光子芯片的設計目前還未形成有效的系統性的方法，設計流程 沒有固化，輔助設計工具不完善，但基于 PDK 標準器件庫的設計方法正在逐步形成。如何進行多層次光電聯合仿真，如何與集成電路設計一樣基于可重復 IP 進行復雜芯片的快速設計等問題是硅光子芯片從小規模設計走向大規模集成應用的關鍵。