一文通俗看懂光模塊

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光模塊作為通信網絡核心的傳輸器件一直關注度很高，但是細分應用領域、技術、品類、術語非常多，容易搞得一頭霧水。談起光模塊，我們到底在說什麼，本文希望從幾個角度把市場關注度高的名詞串聯分類一遍，把大家的身份變成光模塊公司的老闆，從客戶需求的起點開始，採購器件，選擇技術路線，確定封裝工藝，一步步生產出一隻光模塊。

一、收到客戶需求之後，設計一個光模塊的整體框架

今天是大風光模塊公司成立的好日子，開張第一天就收到了很多大客戶的競標通知，作為公司管理、設計、工藝、採購一把手負責人，我們要根據客戶需求仔細分析怎麼滿足客戶需求中標大份額。

客戶A：數據中心500米傳輸距離、100G傳輸速率，QSFP28接口，考慮整體系統成本；

客戶B：5G前傳10km 25G灰光BiDi，SFP28接口，考慮穩定性、互通性和成本；

客戶C：骨幹網100G DWDM網絡應用，100km傳輸距離，CFP/CFP2接口，誤碼率等性能指標很高

收到這樣的一系列需求，雖然隻言片語，但是決定了我們光模塊設計生產上每一個細節的選擇。

選擇1—封裝方式及工藝路線：氣密性封裝（TO-CAN、BOX、蝶形）、非氣密性封裝（COB、COC等）；

選擇2—光晶片類型：VCSEL、DFB、EML、窄線寬可調諧；

選擇3—設計路線：單通道、多通道；

選擇4—調製方式：NRZ、PAM4、相干（QPSK/16QAM/64QAM等）；

選擇5—未來發展：永不滿足的速率、外包光引擎、矽光等；

這些選項分別與產品性能需求的某些指標直接相關，也與最終的產品可靠性、成本息息相關。光模塊行業的競爭，是多個參數組合優化的過程，追求性能（速率、小型化、傳輸距離）的同時，會帶來很大的功耗、散熱壓力；為解決散熱等問題，又會帶來成本壓力；控制成本又會帶來穩定性可靠性等風險。因此，雖然我們做工作叫封裝，產品外觀和電氣接口都是標準化的，但是光模塊包含了大量設計和工藝的經驗，理解客戶需求，權衡性能、功耗、成本、可靠性等指標，是我們大風光模塊公司的核心競爭力。

光模塊產品應用在整個通信網絡的各個環節，除了早期的電路交換（接線員接電話那種）和無線空口（手機到鐵塔上的天線）之外，基本所有網絡傳輸環節都要使用光模塊。因此我們也應該對通信網絡基本術語有一定的了解，這樣才知道我們的光模塊用在哪裡。

1）電信市場：

FTTH/PON：簡單說就是家庭寬帶，也包括公司的寬帶（FTTO，一般統稱FTTx）等接入環節，採用的網絡技術叫PON。光模塊用量上億，速率1M-10G都有，突發需求較多（每個用戶的數據需求是突然開始突然結束的），和其他網絡環節中基本時時刻刻都有信號在傳輸的技術需求不太一樣，是專門的光模塊細分市場。

無線接入網：鐵塔上的基站到接入機房的這一段。光模塊用量百萬級別，速率1G-25G都有，傳輸距離幾百米到10千米左右。

ODN：長距離傳輸網絡，跨區、跨省等大流量調度，會引入DWDM、相干技術。光模塊用量萬到十萬級別，速率基本升級到100G乃至200G/400G等，傳輸距離上百千米。

2）數通市場：

ETHERNET：一般數據中心內部的數據傳輸，在行業分析報告或者統計數據中，被稱作乙太網，也有人將數通光模塊叫做乙太網光模塊。這個市場上百萬出貨量，傳輸距離從幾米到2km，速率10G/25G/40G/100G/200G/400G等，迭代升級較快。

DCI：類似電信市場中的ODN，數據中心之間的長距離連結。國內的需求較少，因為政策規定只有三大運營商能跨省拉光纖。但是海外需求很多，谷歌、亞馬遜都是自己建設的骨幹網，還可以找運營商收錢呢，這裡應用的光模塊其實就是運營商骨幹網的光模塊，DWDM、相干等高級技術都有應用，速率100G甚至更高，傳輸距離40KM/80KM/100KM甚至更長。

二、封裝方式的選擇

2.1、氣密封裝

根據客戶的需求，在室外、溫溼度變化較大等情況下，由於雷射器晶片受水蒸氣腐蝕以及溫度對波長的影響很大，我們考慮採用氣密封裝的路線，將雷射器晶片密封在充滿惰性氣體的金屬+密封窗的管殼中。

根據具體的傳輸距離、晶片發熱量、成本需求、通道數等，還可以具體選擇不同的氣密封裝方式：

1）TO-CAN封裝：雷射器安裝於小型熱沉（散熱片），通過金絲與電氣引腳連接。其上再封裝金屬管帽和用於透出雷射的密封窗。TO-CAN封裝體積緊湊成本相對較低，但其缺點是體積過小，難以加裝更大的散熱器件，大功率大電流長距離場景下不太適合，用在電信市場10km 10G/25G比較合適，比如基站前傳、家庭寬帶等領域。

做成TO-CAN之後，相當於具備了基本的雷射器封裝，但是雷射器發射的光斑直徑和光纖還是不一樣，還要進一步和透鏡、光纖進行耦合對準，把絕大部分能量聚焦到光纖裡，全部封裝好後就做成了TOSA（我們只說了雷射器發射這一端，另一端就是換成接收器晶片，就叫ROSA，統稱OSA）。

2）蝶形封裝：為了解決大功率需求，可以採用蝶形封裝，在更大的熱沉（有更高溫控需求的還可以選配TEC溫控）上安裝雷射器，透鏡、隔離器等光學器件也安裝在金屬外殼內。蝶形封裝相當於雷射器+光路全部封裝好，從分類上講，其實一個蝶形封裝器件相當於一個OSA，是比TO-CAN更高一級的器件了。

3）BOX封裝：BOX封裝是蝶形封裝的一種特殊形式，主要針對多通道需求。多通道的問題我們後面會展開講，這裡簡單帶過，在一個封裝內，集成多個雷射器，然後通過一根光纖對外傳輸，對溫度控制、氣密性可靠性等有較高要求的情況下，用這種封裝就對了！

2.2、非氣密封裝

自從數據中心市場開始大規模使用光模塊之後，由於數據中心配置了空調、環境監控等設備，整體的工作環境比在室外風吹日曬的電信市場優化了很多，同時光模塊用量又很大，對成本控制提出了更高要求，因此逐步發展出非氣密封裝。非氣密封裝的技術持續迭代，可靠性快速提升，能夠勝任的場景也在逐漸增加。非氣密性封裝簡單說就是將光晶片直接貼/焊在線路板上，通過環氧樹脂等膠水進行簡單的密封保護，減少了大量輔助器件，節約成本、提高集成度。

小結：氣密封裝使用金屬+玻璃為脆弱的光晶片構建了嚴密的保護，能夠應對各種使用環境，根據不同的器件設計需求有幾種具體封裝方式，但整體器件較多、需要成本較高的柔性線路板FPC（俗稱「軟板」）將高頻信號從氣密殼中引出，導致成本相對較高。工作環境相對可控、可靠性能夠達到要求的情況下，採用非氣密封裝能夠優化成本。

三、光晶片的選擇

根據傳輸距離、調製方式、成本等綜合考慮，有多種晶片可供選擇。光晶片的選擇上還需要考慮供應鏈情況，部分熱門產品早期起量階段經常缺貨，跳票、交貨推遲情況很常見。晶片行業規模效應非常顯著，所以很多晶片廠優先保大客戶供應，作為小廠只能找替代廠商、替代方案等，拿到晶片的價格也差異很大，需求量大的光模塊公司拿到的晶片價格可能比小廠低20-30%，這也是光模塊行業重要的競爭因素。

3.1、VCSEL

VCSEL晶片是成本最低的晶片種類，代價是發光的角度較大，一般配合比較粗的多模光纖使用，但是多模光纖價格較高，考慮系統總成本，一般在短距離（幾米的AOC和100米左右的SR光模塊）場景下應用。

3.2、DFB

DFB晶片是在原始的FP雷射器上加工出光柵，實現更精準的波長選擇，輸出波長精度較高。DFB晶片的發光角較小，能夠實現更高效的光路耦合，因此在中長距離應用較多（500米、2km等），成本相對適中。

3.3、EML

EML晶片是成本最高的晶片種類之一，由一顆發射晶片（可以是DFB/DBR等）加外吸收調製器構成。在工作時，雷射器晶片始終處於發光狀態，通過控制吸收晶片的開關（簡單理解就是透明、不透明），控制EML雷射器的信號輸出。

這裡我們要再說明一下光信號傳輸中發生了什麼。1）不同波長的光在光纖中的傳輸速度是不同的；2）雷射器晶片加電壓開始發光時，在飛秒級別的微觀時間維度內，發射的波長有一定的變化（啁啾zhoujiu）。基於這兩個現象，DFB晶片收到一個電信號後發出一個雷射信號（其中包含一定範圍的波長成分），經過光纖長距離傳輸時會發生色散，也就是不同波長的信號到達接收端的時間差較大，可能形成信號的幹擾。如下圖所示，DFB雷射器發射端兩個脈衝信號，由於不同波長在光纖中傳輸速度不同，到達接收端的時間有先後，嚴重的情況下，兩個脈衝信號混在一起（碼間幹擾），導致無法通信。

使用EML雷射器的優勢在於，雷射器晶片處於穩定工作狀態，發射的波長更加「純淨」，通過外調製器進行調製後，長距離傳輸後得到的信號質量依然很高。因此EML適合長距離（10km、20km、40km甚至更高）傳輸應用。但由於增加了外吸收調製器，且面向長距離場景晶片整體質量要求也更高，因此同速率的EML晶片成本比DFB晶片高50%甚至高几倍。

另一方面，外吸收調製器的響應速度比DFB直接調製更高，在某些調製技術領域（如PAM4，後面會進一步展開），更加適合使用。

3.4、可調諧窄線寬（簡稱「可調雷射器」）

前文提到長距離傳輸存在色散問題，EML能夠解決啁啾帶來的問題，但是雷射器固有的發射波長範圍（即「線寬」）依舊存在，在超長距離ODN（80km、100km甚至更長）等應用中色散問題依然突出。另一方面，超長距離傳輸幹線需要考慮整體系統成本，從北京到上海鋪設大量光纖需要很多成本，因此引入DWDM（密集波分復用）技術，在一根光纖中傳輸不同波長的信號，大幅增加單根光纖的傳輸能力，降低長途幹線整體系統成本。這兩方面需求，需要通過可調諧窄線寬雷射器來滿足。

可調諧窄線寬雷射器結構較複雜，方案也比較多，有電流控制、溫度控制、機械控制等等，以外腔機械控制方案為例，在普通雷射器外增加光柵結構，通過機械控制調整輸出波長，實現更加精確的波長控制。可調諧雷射器過去應用的領域相對較少，但隨著5G前傳可能引入波分技術，部分廠商也在嘗試使用可調諧雷射器的可能性，未來需求情況可能有較大的變化。

小結：低成本短距離選用VCSEL晶片，中距離選擇DFB晶片，中長距離以及特殊調製需求下選擇EML晶片，超長距離以及某些特殊應用選擇可調諧窄線寬雷射器。

四、設計路線的選擇

我們根據使用環境選擇封裝形式、根據傳輸距離和其他性能要求選擇了雷射器種類，接下來就要根據傳輸速率，選擇通道數和調製方式了。一開頭我們講到了光模塊幾個不能兼得的關鍵指標，體現在設計上就有多種組合，晶片等級（性能和成本）、通道數（小型化、散熱、封裝難度）、調製方式（電晶片成本、可靠性、設計難度），要在這些環節綜合取捨最後確定光模塊的設計方案。

4.1 單通道：

最簡單的設計方式，一個光模塊裡面裝一個雷射器一個接收器，一收一發，加上其他一些光學組件、PCB板上有各種電晶片，就組成了一個單通道的光模塊。

常見的比如1個10G晶片用NRZ調製做成10G光模塊、1個10G晶片用超頻調製做成25G前傳光模塊、1個50G晶片用PAM4調製做成100G DR1數據中心光模塊，都是這樣單通道的設計路線。

4.2 多通道：

由於雷射器晶片升級的難度很大，現在成熟的最高就是單波50G速率的，但是客戶對帶寬需求的渴望增長很快，400G甚至800G都提上了日程，我們就想出了用多個雷射器和多個接收器拼在一起做成更高傳輸速率的光模塊，也就是多通道設計方案。

多通道方案又面臨一個問題，怎麼跟光纖連接來傳輸呢？

1）多纖方案：最簡單的就是每個雷射器連一根光纖直接對外傳輸。這樣做好處是光模塊內部結構簡單，器件相對較少，成本較低。問題是傳輸需要4根光纖，如果距離比較長，1km光纖也要好幾十塊錢的成本，4根光纖就上百的成本，用量大的話還是有不小的成本壓力。所以多纖方案大多用在中短距離場景。比如500米的100G PSM4、幾米到幾十米短距離的AOC/SR4等。

2）單纖方案：如果傳輸距離較長，就要考慮減少光纖用量，我們可以提供單纖方案給客戶選擇。單纖方案利用波分復用CWDM原理，通過4個不同波長的雷射器，用合波器件（MUX）合併到一根光纖進行傳輸，再用分波器件（DeMUX）分離出4個不同的波長分別檢測。

這裡又有兩種技術路線，第一種是用TFF濾波片的方式，比如蘇州旭創的100G CWDM4方案，四個不同波長的雷射器前安裝對應波長的濾波片，以下圖為例：

紅色晶片的光穿過紅色濾波片之後在反射片上反射回來，遇見了桔黃色濾波片，紅光就穿不過去了，只能繼續反射回來；而桔黃色雷射器的光可以穿過桔黃色濾波片到達反射片；紅光和桔黃光都反射了一圈又回到黃色濾波片，他們倆都穿不過去，又反射回去，但是黃色雷射器的光能夠穿過黃色濾波片；紅色桔黃色黃色光一起反射了一圈又遇見藍色濾波片，都穿不過去繼續反射，而藍色光晶片的光穿過了藍色濾波片和他們仨匯合，一起耦合進了一根光纖。

另一種技術路線使用AWG的方式，比如找天孚通信AWG代工做的100G CWDM4方案，四顆不同波長的雷射器，通過AWG晶片合分波，之後耦合到一根光纖進行輸出。

這兩種細分方案各有特點，AWG器件對溫度比較敏感，需要較高的溫控能力，附帶的成本相對較高（同等良率和出貨量情況下），但生產設計環節相對簡單。TFF方案對溫度敏感性沒那麼高，但是器件設計和生產製造難度較大，需要較高的設計、鍍膜、耦合對準等技術能力。

五、調製方式的選擇

調製方式的選擇和前文設計路線是相輔相成的，我們這裡就直接針對主要的調製方式進行一個比較，以及實現這些調製方式需要增加的額外電晶片進行一個比較。

5.1 NRZ調製：

傳統光模塊調製以NRZ（not return to zero）為主，雷射器高/低功率分別對應二進位的1和0信號。NRZ原理很容易理解，舉一個例子，假設要發送一段二進位信號：100111，則雷射器實際發射的光功率如下圖，功率超過上面虛線則判定為1，低於下面的虛線則判定為0。NRZ模式下光模塊中只需要基礎的驅動晶片（driver）、放大器（TIA、LA）、時鐘修復（CDR）及主控晶片（MCU或ASIC）等簡單的電晶片即可。

5.2 PAM4調製：

為實現更高速率，由於光晶片直接升級難度和成本較高，因此引入PAM4調製技術。PAM4光信號功率的判決分為4個閾值，低於最低閾值判定為00、最低到中間閾值之間判定為01、中間到高閾值之間判定為10，超過高閾值判定為11。通過更密集的功率判定設計，使得相同的時間內能夠傳輸2倍的數據量。還是剛才的例子，要發送數位訊號：100111，雷射器發射的光功率變成下圖的樣子。

這裡就要強調一下大家經常混淆的兩個概念，我們說雷射器晶片的速率一般指波特率，也就是真實的一秒鐘能發送多少個完整脈衝（比如25G EML晶片，一秒鐘發送25*10^9個脈衝，實際更多一些，還有鏈路開銷等這裡就忽略了）；但是通過高階調製技術一個脈衝可能代表幾位二進位數據，則實際傳輸的數據量稱作比特率（比如1個25G EML晶片PAM4調製之後做成了單通道50G的光模塊，那我們直接說50G PAM4光模塊，意思就是比特率是50G，波特率是25G）。

由於PAM4調製需要對功率精確的控制，判定閾值也更窄，對光纖色散導致的信號幹擾要求更嚴格，因此大部分需要使用EML雷射器。同時，在NRZ電晶片的基礎上，還增加信號處理的DSP晶片（將數位訊號兩個一組，轉換成模擬信號）。

5.3 超頻方案：

為降低成本，開發出了超頻技術，用設計速率（還記得波特率嗎？）較低的晶片，傳輸較高速率（還記得比特率嗎？）的信號，比如5G前傳中用10G波特率光晶片，「強行」加給他一個25G速率的信號。雷射器發光不是一上電壓就滿負荷運轉的，中間有一個爬坡的過程，我們說10G速率的晶片，指的是1秒鐘能夠發射完完整整的10*10^9個脈衝。但是超頻的思路很簡單，還是這個10G晶片，我就非要給你通一個25G的信號讓你1秒鐘發射25*10^9個脈衝，那連續的一個「1」一個「0」信號過來，雷射器功率爬坡還沒來得及爬到頂點就又開始下坡，最終表現就是超頻的信號質量劣化，識別閾值降低。還是以數位訊號：100111為例，在連續的10-01交替時，雷射功率就達不到最高點，只能把判決閾值（圖上的兩條虛線）縮窄，這就導致超頻光模塊能「容忍」的幹擾、誤差和傳輸距離較低。

超頻方案帶來技術上的難度，在相對中短距離比較成熟，需要在發射端CDR調整參數，接受側做均衡處理，從晶片角度來說與NRZ使用的電晶片種類相同，但是在參數設計、電路結構設計等領域需要仔細調試，經過大量仿真和測試，挑選最好的判決閾值以降低誤碼率。目前超頻方案很多採用的是三菱的10G TOSA。

5.4 相干調製：

前面三種調製的本質都是強度調製，只利用了光功率的強度或者說正弦波（載波）的振幅一個指標來表徵（調製）二進位的信號（基帶信號）。但是正弦波還有相位這個參數，相干調製就是利用相干的原理，把相位和振幅兩個參數都用上。

相干調製有兩個好處：1、可以在一個信號周期中傳輸更多數據（看起來效果和PAM4類似）；2、還能利用三角函數和差化積公式（初中就學過呢）實現超強抗幹擾能力。因此相干調製在超長距離傳輸中有不可取代的優勢。

相干調製具體怎麼實現、對光模塊來說需要哪些器件結構呢？

太長不看版本：

1）光晶片：相干光模塊發射端和接收端各需要一個頻率相位穩定的雷射器晶片（3.4部分講過的窄線寬雷射器），根據相干調製的級別，發射端需要2^(x-1)個鈮酸鋰材料的馬赫曾德爾MZ調製器晶片（也有用其他調製器的，MZ比較常見）；接收端還需要接收器晶片；

2）電晶片：需要高端DSP晶片進行數據編解碼和計算（也叫PBSR，處理加法、乘法和傅立葉變換），高速ADC（模數轉換）晶片，驅動器晶片，主控晶片等；

3）其他器件：VOA（光功率開關）、各類光路器件及散熱、外殼等。

詳細說明版本：

最終發射的光信號是經過相位調製的信號，共有4種波形符號（Q就是4的意思），每個符號代表兩位二進位原始數據，因此實現了2倍的比特率。

以上是最簡單的QPSK相干調製，或者說「4」PSK，可以1位光符號，傳輸2位電信號。

搞這麼複雜是為什麼呢？簡單來說就以兩路信號解釋，信號光強度Es(t)和本徵雷射器光強度EL(t)是兩個三角函數：

兩者混合後探測器接收到的電流

平方展開之後積化和差公式一頓操作，會得到很多頻率是2ω的分量，就被低通濾波器過濾掉了，最後能通過低通濾波器倖存進入DSP晶片處理的分量只有：

可以看到相干光模塊最終只有信號電流Ps被放大，且輸出電流大小與本徵雷射器功率PL的平方根正相關，因此即便長距離傳輸來的信號電流很微弱了，通過足夠高的本徵電流功率還是能夠在接收端獲得足夠大的輸出電流，接收器靈敏度可以做到很高。這就是相干調製在超長距離應用的必勝法寶。

除了QPSK，還有更高階的16QAM、64QAM等，調製方式和器件類似，只是數量指數級增加，而實現的效果呢，有一個很容易理解的方式：小學奧數排列組合題目：二進位有0和1兩種可能，如果一個時間點要傳播2位/4位/8位數位訊號，那麼有多少種光信號的可能性？

很簡單，2位的話共有2*2=4種波形（參考QPSK波形和二進位對應的那張圖）

4位的話共有2*2*2*2=16種波形，也就是16QAM調製，用1個25G雷射器就能調成100G的光模塊！

8位的話共有2^8=64種波形，也就是64QAM，用1個50G雷射器就能調成400G的光模塊！

而且由於相干調製的特點+三角函數和差化積公式+強大的DSP計算能力，還能大幅提高信號還原準確度，超長距離傳輸之後也能恢復出準確的數據，因此雖然結構非常複雜成本很高，但是相干光模塊還是在80km、100km、200km等長距離市場佔據絕對優勢地位。

小結

前面我們從選擇晶片，到調製方式，到封裝工藝，把一個光模塊完整的設計過程大致走了一遍，面對客戶的各種需求，我們大風光模塊公司都有信心拿出滿足客戶性能需求、儘量保證低成本的設計方案，下面就是我們應對不同需求提供的方案清單。

這裡再補充說明一下，表格中的產品最後都有一串我們前文沒有展開的代碼，這個指的是光模塊的外形。由於光模塊外形和接口有全球通用的標準，客戶一般也會指定要哪種外形。簡單來說，SFP/SFP+SFP28/SFP56/QSFP28/QSFP-DD都是小型化的外形，對應不同的接口速率；CFP/CFP2等是比較大的外形，能容納更多器件以及更好的散熱。

六、未來發展方向選擇

作為大風光模塊公司優秀的管理者，我們深知不能埋頭拉車，還要抬頭看路的道理，對未來技術和產業模式發展的方向也有深入的思考，總結下來，未來可能有三個比較大的發展趨勢。

6.1 永不滿足的速率：

光模塊行業是為電信網絡和數據中心網絡服務的，這兩個下遊市場又面臨上網速率需求越來越快、雲計算業務量越來越大的壓力，因此對光模塊的速率有不斷增加的需求。

為滿足更高的速率要求，光模塊行業有三個發展方向：

1）更快的單通道速率：難度較大，雷射器材料工藝端，現在50G剛剛成熟，100G還在早期研發階段；

2）更多通道數：考慮整體性價比，通道數多=體積變大=單位機架面積上插的光模塊數量變少=機房的土地房屋配套設備等整體成本綜合考慮；

3）更高階的調製方式：考慮整體性價比， 高階調製需要更強大的DSP晶片，電晶片成本大幅增加，發熱量也大幅增加，帶來散熱成本和可靠性等其他問題

6.2 外包光引擎：

光模塊行業中，大客戶關係、晶片供應鏈能力、方案設計工藝優化等know how經驗是各家差異化的重點。反而在生產製造上，可能出現專業化分工的趨勢。比如很多海外光模塊公司，由於人力成本和供應鏈完善程度越來越難和中國等企業競爭，很多公司轉型成設計為主，生產交由東南亞建廠的OEM大廠Fabrinet等專業代工廠商完成。

未來隨著光模塊產品迭代的研發投入越來越高，生產製造環節逐步走出工藝、良率和成本控制能力突出的專業生產企業，產業鏈整體的結構可能發生進一步的重塑。未來有可能產業鏈會繼續深入分工，光模塊整體光學部分——光引擎（光晶片、散熱、光學組件、管殼等全部封裝在一起）全部交由專業代工廠生產，模塊廠只負責搞定下遊客戶、上遊光晶片以及產品設計，拿到光引擎之後，焊接上PCB+電晶片，裝上外殼進行測試之後就可以銷售了。

6.3 矽光技術：

矽光技術發展了很多年，一直是行業熱門話題。目前展示較多的矽光子技術有兩種：1）用於數據中心光模塊，將調製器、CWDM器件、耦合器件使用CMOS工藝集成加工在一個晶圓上；

2）用於相干光模塊，將MZ調製器、分路合路器、耦合器使用CMOS工藝集成加工在一個晶圓上。

矽光技術從根本上，是希望通過集成度、自動化程度更高的矽基工藝，解決光模塊行業過去分立式器件、人工參與的工序很多、自動化程度不高等問題，從而獲得明顯的成本優勢。然而，理想很豐滿現實很骨感，矽光技術面臨幾個大的物理定律決定的性能瓶頸：

1、由於矽本身發光性能很差，光模塊核心的雷射器還是需要用III-V族材料製造，通過沉積工藝把III-V族材料生長在矽晶圓上，兩種材料晶格結構不同（晶格失配）導致外延層有很多缺陷，因此目前主流產品雷射器還是分立式為主，依舊需要人工對準、測試等；

2、矽的熱脹冷縮比較明顯，而光模塊對波導尺寸的要求很高，光柵等器件的尺寸直接決定了發射波長等重要性能參數，導致矽光產品穩定性受影響；

3、CMOS工藝的尺度過小，蝕刻和生長工藝工件尺寸在0.5μm量級 ，而光纖纖芯直徑在10-40μm量級，光信號從直徑差異較大的兩個載體相互傳輸時會產生極大損耗（模場匹配損耗）

為解決這些問題產業界推出了一系列方案：1）外延生長中可以先在Si晶圓上生長過渡層，逐步過渡到和III-V族材料結構接近的狀態再外延生長；2）增加熱膨脹器件抵消矽材料的熱脹冷縮；3）製作光柵、Tapper等器件提升耦合效率。這些方案或多或少能解決前述性能瓶頸，但是增加很多器件尤其是活動器件，導致產品良率、成本又出現問題，最後還是無法發揮矽光技術的成本優勢。

目前矽光行業和半導體類似，形成了設計公司+代工廠的模式，以及Intel的IDM模式，從行業發展角度看，仍需要代工廠加工工藝上有重大突破，矽光產品才可能在性能、成本、可靠性等多個維度與傳統光模塊正面競爭。當前更優的策略可能是，仍以傳統光模塊產品為主，跟進矽光技術的研發，如果出現工藝重大突破，仍然能夠保持在光模塊終端市場的競爭力。

結語

我們從頭到尾梳理了光模塊從客戶需求、到選擇材料、到設計生產的全過程，也把常見到的、大家經常有疑問的光模塊行業的眾多名詞、技術和品類逐個進行了分析，也對行業發展的趨勢進行了簡述。希望各位讀者看完這篇文章，能夠對光模塊行業有一個更清楚的認識，或者一下子信息量太大，先收藏起來哪天有疑問了再找出來讀一讀，畢竟筆者也是研究了快三年時間，通過展會上的交流、公司專家的講解、很多優秀的公眾號作者（光通信女人、光學小豆芽、戴維帶你認識光通訊等等）的文章以及很多論文、白皮書、產品說明等等材料，才對光模塊行業有了一些了解。跟大家進行粗略的分享，如有錯漏，敬請指正。

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