摘要：硅光模块是基于硅光子技术的新一代光通信器件，其应用场景跟传统光模块类似，高集成度及兼容CMOS工艺成为其核心优势。硅光模块以硅光技术为核心，将激光器、调制器、探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上，再与DSP/TIA/DRIVER等电芯片组成硅光模块；传统光模块
硅光模块：下一代高集成光传输模块（从分立器件向硅光技术发展）
硅光模块是基于硅光子技术的新一代光通信器件，其应用场景跟传统光模块类似，高集成度及兼容CMOS工艺成为其核心优势。硅光模块以硅光技术为核心，将激光器、调制器、探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上，再与DSP/TIA/DRIVER等电芯片组成硅光模块；传统光模块中各器件分立，需要连接与封装。
硅光技术以其材料特性以及CMOS工艺的先天优势，能够很好的满足数据中心对更低成本、更高集成、更低功耗、更高互联密度等要求，重要性将愈加凸显。PhotonicsSOI（Photonics Silicon-On-Insulator）绝缘体上硅材料平台可以让标准CMOS晶圆厂实现了高速光发射器和接收器芯片的大批量生产晶圆，为数据中心内链路提供了高数据速率和高性价比的收发器解决方案。
传统光模块（上图）对比硅光模块（下图）结构
资料来源：Marvell官网，国信证券经济研究所、思瀚整理
硅光模块以硅光芯片为核心，与电芯片一起封装组成模块
硅光模块：将光源（部分异质集成在硅光芯片上）、硅光芯片，DSP、TIA、CDR、驱动器等电芯片集成到一个PCB 板上并通过金属外壳封装。
硅光芯片：将调制器阵列、探测器阵列、耦合器、复用/解复用器件、光波导等细分光芯片集成在单个硅基芯片上。
有源光芯片包括激光器、调制器、探测器等。激光器是将电信号转化为光信号的关键器件，采用III-V族化合物例如InP；调制器将输入的电信号通过物理效应转换为光信号，精确调控光波的强度、相位或频率等参数，以实现信息在光纤中的高效传输；探测器通过光电效应将接收到的光信号转换为电流信号。
无源光芯片包括光波导、耦合器、复用/解复用器件等，分别用于光路由、光信号与硅光芯片的耦合以及波分复用/解复用。
硅光模块相比传统光模块拥有高集成度、低成本、低功耗优势
相较传统分立光模块，硅光模块具有高集成度、低成本、低功耗等优势。
高集成度：
基于硅基CMOS工艺，将激光器、调制器、波导、光电探测器等光电器件单片集成于单一硅芯片，组件数量大幅减少，体积缩小约30%。
低成本：
（1）相较于III-IV族材料，硅在自然界中丰度优势显著，成本远低于III-IV族材料；
（2）通过集成化设计减少封装工序，组件与人工成本下降；
（3）外置激光器方案具有成本优势。整体硅光模块相比传统光模块成本减少约20%。
低功耗：
（1）高密度集成减少了分立器件之间连接的损耗；
（2）由于不需要TEC来管理温度和性能，功耗降低了近40%。
硅光技术发展30年，硅基调制器和激光器商业化是发展转折点
2004年，英特尔研制出首个1Gb/s硅光调制器，基于载流子色散效应，采用反向偏置PN结结构。2006年，英特尔与UCSB合作实现硅基混合激光器，通过晶圆键合将InP激光器与硅波导耦合，解决片上光源问题。2008年，英特尔推出“雪崩硅激光探测器”，带宽提升至340 GHz，采用行波电极设计优化射频响应。2010年左右，Intel和IBM相继针对芯片间的光互联进行了研究并分别实现了 50Gb/s 和 160Gb/s 的传输速率。
2013年Luxtera推出首款商用级100G QSFP28硅光模块，采用CMOS工艺实现单片集成，主要面向数据中心短距互联（如DR4场景）；2016年，Intel推出了100Gbit/s QSFP28 硅光模块。
2013年左右成功实现硅光模块商业化的公司都掌握了硅基高速调制器方案，实现了高效耦合和低成本，激光器解决方案包括外置激光器和异质键合。
硅光模块主要应用在数据中心通信和电信网络通信
应用趋势：随着移动互联网和云计算的发展，数据中心的计算能力和数据交换能力呈指数级增长，光通信的应用主体从运营商网络转向数据中心。硅光模块应用场景与光通信应用场景基本相同。Lightcounting 预测，硅光模块在光模块中的整体份额将从2023年的34%提升至2029年的52%。
电信网络的光通信应用：1980年代光纤诞生以来，光通信应用从骨干网到城域网、接入网、基站。目前国内传输网络基本完成光纤化，但数据在进出网络时仍需要进行光电转换；未来向全光网演进。硅光模块在骨干网、城域网等长距离传输场景中发挥重要作用。
数据中心的光通信应用：1990年代开始，光通信应用从中短距离的园区、企业网络延伸到大型数据中心的系统机架间、板卡间、模块间、芯片间应用。近两年AIGC革命拉动新一轮数据中心网络发展，对光模块带宽及速率提出更高要求。硅光模块凭借高集成度、低功耗、低成本等技术优势，已成为数据中心通信领域的核心解决方案，主要应用于数据中心内部服务器间、机柜间及数据中心互联的短距传输场景。
数通应用—硅光模块受益于AIGC变革
光模块受益这一轮AIGC拉动的光通信发展，硅光模块凭借其高集成度、低功耗、低成本优势同样受益行业发展：
发展催化一：下游需求高景气。AIGC技术迅猛发展，算力需求激增，全球互联网云厂持续加大资本开支。四大北美互联网云厂商2025年规划资本开支合计预计超过3100亿美元，中国四大互联网云厂2025年资本开支合计预计超过5000亿人民币。作为数据中心通信的核心部件，光模块将受益。
发展催化二：网络架构升级，量升。传统数据中心采用三层架构，而AI算力崛起推动服务器间横向通信占比提升，叶脊（Spine-Leaf）架构成为主流。这种架构通过扁平化设计减少通信层级，但需要更多光模块实现全连接，叶脊架构下光模块需求较传统架构增加数十倍。
发展催化三：速率升级，价升。随着AI算力和云计算需求激增，数据中心内部互联速率正从400G向800G、1.6T甚至3.2T演进。硅光模块凭借高集成度和低功耗，成为破解高速率光模块成本难题的关键方案，渗透率将持续提升。
数通应用—从硅光模块演进到光电共封、光开关/光交换等技术
硅光技术可以用在CPO/OIO（光电共封装）领域。传统的光模块通过铜缆或光纤与其他电子组件相连，在高速信号传输过程中容易产生较大的功耗和信号损耗。CPO（Co-Packaged Optics）主要用在交换机端口，通过将光模块和交换芯片紧邻封装在一起，可以降低功耗、提高信号完整性、减少延迟，并且缩小了其体积。台积电硅光(SiPh)和光电合封(CPO)技术近日成功实现CPO与先进半导体封装技术的集成。
硅光技术还可应用在数据中心的全光交换网络中，比如硅基平台光开关/光交换芯片。基于硅-双层氮化硅混合集成平台的32×32，该芯片基于切换-选择（Switch & Select）型拓扑结构，芯片上总共集成了1984个马赫曾德尔光开关单元以及超过24万个波导交叉结。采用硅-氮化硅多层波导实现了超低损耗波导交叉结，有效降低了系统插入损耗；采用8块FPGA驱动芯片实现片上所有开关单元的独立控制。该光开关芯片平均插入损耗（光纤到光纤）12dB，切换速度小于400μs，芯片总功耗小于1W。该芯片有望用于数据中心网络中实现全光交换，解决传统电交换面临的功耗、延迟、带宽等瓶颈问题。
电信应用—长距离传输和基站前传是主要场景
电信领域硅光模块应用于长距离相干传输，硅光技术早期应用即是在相干光模块中。长距离骨干网/城域网是连接多个区域或地区的高速广域网络，作用范围达几十至数千公里，承担跨城市、跨省乃至跨国的海量数据传输任务，其核心特征包括大容量与高速率、低延时与高可靠。全光网络高速、稳定、低延迟的网络服务满足未来越来越高的网络需求，成为通信网络的发展趋势。在全光网络中，相干光通信凭借着传输距离远、传输容量大、信噪比低等优势，将进一步扩大应用范围。目前，传输距离超过1000km的骨干网、100-1000km的城域网已逐步应用相干光模块。2014年，Acacia即发布了首款采用硅光子集成电路的相干收发器。
未来，得益于硅光工艺的不断提升，低成本、低功耗、高性能等优势将与相干光通信应用拓展相辅相成。此外，在全光网络中需引入可重构全光分插复用器系统（Reconfigurable Optical Add/drop Multiplexer，ROADM）等全光交换技术，波长选择开关（WSS）等组件选择硅光方案，将进一步打开硅光模块市场空间。电信领域硅光模块还应用于基站前传。
基站前传是移动通信网络中连接基带处理单元与远端射频单元的关键链路，需满足高带宽、低时延、高可靠性和低成本等要求。硅光模块在基站侧可实现前传链路光互联，降低约30%功耗并支持毫米波与光传输混合调度。华为已实现硅光技术在5G基站中的规模化应用，未来6G网络将进一步依赖硅光技术实现超高速率与低延迟传输。
预计2029年硅光模块规模超过百亿美元
硅光模块2029年销售额将达到103亿美元(根据Yole数据)，过去5年CAGR达到45%。其中，数据中心可插拔硅光模块规模达53亿美元，占2029年全部硅光模块销售额的52%；用于电信波分复用领域硅光模块规模46亿美元，占比45%；另外数据中心光I/O接口、NPO&CPO、电信无线领域及其他领域的销售将分别达到0.81/0.37/0.45/2.07亿美元。同时，Yole数据显示2024年硅光模块全球销量近600万只，预计2025年硅光模块销量超过1250万只，到2029年销量接近1800万只。
硅光芯片2029年销售额达到8.63亿美元(根据Yole数据) ，过去5年CAGR达45%。其中，数据中心可插拔光模块规模6.51亿美元，占2029年全部硅光芯片销售额的75%；用于电信波分复用领域硅光芯片的规模增长至1.71亿美元，占比20%；另外数据中心光I/O接口、数据中心NPO&CPO、电信无线领域及其他领域的销售将分别达到0.1/0.04/0.05/0.22亿美元，占比分别为1.2%/0.5%/0.6%/2.5%。
发展趋势：高速传输、异质集成及新材料、封装工艺、新应用场景
趋势一：速率升级，从800G向1.6T/3.2T迈进。目前400G硅光模块技术成熟，800G产品实现批量出货，1.6T产品进入量产阶段，支撑AI算力网络与超大规模数据中心的带宽需求，采用PAM4调制技术单通道速率突破200Gbps，实现光链路线性度与稳定性的显著提升。未来硅光模块速率将进一步向3.2T发展， DP-QPSK 等相干调制渗透率提升。
趋势二：薄膜铌酸锂等新型材料实现异质集成。目前硅光模块激光器主要采取外置CW光源方案，仅intel实现片上异质集成的商业化，未来硅光芯片将向更高集成度发展，在硅基芯片上异质集成InP激光器可能成为主流方案；薄膜铌酸锂在高速调制中表现优异，与硅光异质集成可弥补硅基调制器的带宽瓶颈，未来可能在商业化硅光芯片中应用；硅基氮化硅混合集成的应用扩展、石墨烯等二维材料在硅光芯片的应用正在被研究。
趋势三：工艺创新实现集成化与先进共封装。硅光芯片基于成熟的CMOS工艺，12英寸硅光晶圆生产线将逐步普及，推动成本下降；未来异质集成技术将更加成熟，实现激光器、调制器、探测器与电子电路的单片集成；硅光技术支持实现更高集成度实现光电共封装，深度融入交换机侧的CPO（共封装光学）架构，缩短电互连距离，降低功耗与延迟，支持3.2T及以上带宽演进，在C2C（芯片到芯片）短距互联中，OIO（光输入输出）技术成为焦点，依托硅光集成实现低功耗、高带宽通信。
趋势四：光计算、激光雷达、医疗健康等新应用场景。数通领域硅光模块向内部互联延伸，通过高集成、低成本特性，为相干技术下沉提供了物理载体；电信领域硅光模块在5G通信领域可用于前传、中传和回传网络，提供高带宽、低延迟的连接解决方案，未来渗透率将进一步提高；硅基光电子优势明显，除了在光通信领域的作用外，在其他商业领域如光计算、激光雷达、消费电子和医疗健康等领域的价值也逐渐显现。
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来源：思瀚研究院
