一文看懂光模块与光芯片

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【概要描述】

人工智能大模型和算力集群的爆发，让一个过去不太起眼的小器件——光模块，走到了产业舞台中央。它原本常被看作通信产业链的配套和补充，如今却成为一条蓬勃壮大的新赛道。

光模块是什么？

光通信以激光作为信息载体，以光纤作为传输媒介，实现电信号与光信号之间的转换。光模块则是完成这一转换的核心硬件。它主要由光发射器件（TOSA）、光接收器件（ROSA）、电芯片、PCB、结构件等组成。其中，TOSA和ROSA是核心光器件，而光器件的核心元件是光芯片。

图：光模块结构图

它的工作原理并不复杂：发射端把设备传来的电信号编码调制后，驱动激光器转换为调制光信号，送入光纤；光信号在光纤中低损耗传输；到达接收端后，光电二极管再把光信号还原为电信号，经放大、滤波后输出给对端设备，从而实现数据传输。

传统光模块与硅光模块

光模块主要分为传统光模块和硅光模块。传统光模块采用分立器件方案，由TOSA、ROSA、电芯片及相关电路构成，光芯片集成在TOSA和ROSA内部，完成光电转换。硅光模块则取消传统分立的TOSA/ROSA组件，采用外置连续波（CW）光源配合高集成度硅光芯片，与电芯片协同完成光信号收发和处理。

光芯片

光芯片承担光电转换的核心功能，价值占光模块成本的40%—60%，也是产业链中技术壁垒最高的一环。它可分为有源光芯片和无源光芯片。有源光芯片负责光电转换，是高速光模块的核心，包括发射芯片和接收芯片；无源光芯片负责分光、滤波、光路传输。

在传统光模块中，光芯片以分立形式存在。有源光芯片主要包括激光器和探测器。激光器是光发射核心，是TOSA的主体部件，直接决定光模块传输性能，主流型号有VCSEL、DFB、EML等，完成“电变光”；探测器是光接收核心，是ROSA的主体部件，常见类型有APD、PIN等光探测二极管，负责“光变电”。无源光芯片则包括PLC芯片和AWG芯片：PLC芯片实现光信号分路、合路；AWG芯片利用多通道波导干涉原理，对不同波长光信号进行复用/解复用，实现波分复用。

在硅光模块中，硅光芯片可集成调制器、滤波器、波导、耦合器等多种器件。但硅材料发光效率低，难以直接实现激光输出，因此仍需依赖III-V族材料提供外置CW光源。

三类主流光源方案

当前光模块主流方案可分为VCSEL、EML和硅光三类。VCSEL主要适配短距离高速互联，普遍采用GaAs衬底，成本低、响应速度快，约占当前光模块方案的15%。EML主要适配中长距离信号传输，普遍采用InP衬底，性能稳定，占30%—40%。硅光方案以CW光源为核心激光器，成本低、功耗小，占40%—50%。随着800G及更高速率光模块对功耗和散热要求提升，硅光渗透率有望进一步提高。

图：光模块主流技术路线

光芯片制造流程与三大壁垒

光芯片生产极其复杂，核心包括衬底制备、外延生长、晶圆工艺制造、加工与测试四大环节。衬底制备是制备GaAs、InP单晶衬底；外延生长使用MOCVD设备，在衬底上逐层生长纳米级砷磷化合物半导体薄膜，构建量子阱发光结构；晶圆工艺包括光刻、刻蚀、镀膜、光栅制备；最后切割、封装、测试，筛选合格芯片送入光模块产线。

其中，外延与光栅是技术壁垒最高、对性能起决定性作用的环节。外延对材料、温场、气压等参数要求极高；光栅是实现光耦合、分光、滤波的关键微纳米结构，需要纳米级精度，依赖电子束光刻与刻蚀，工艺窗口窄。良率管理也贯穿多个环节，包括缺陷检测、关键尺寸与刻蚀深度控制、外延均匀性控制等。目前，海外头部厂商高速率激光器良率可稳定在60%及以上，国内厂商仍普遍处于30%—40%的爬坡阶段，但25G等低速率光芯片良率已较高。随着200G及以上光芯片要求提高，良率爬坡难度进一步加大。

此外，高端InP光芯片面临扩产瓶颈。MOCVD、EBL等关键设备全球供应高度集中于海外少数厂商，采购成本高，交付周期叠加安装调试甚至达到一年，直接拉长了产能建设周期。

行业趋势：速率升级与国产替代

算力集群正推动光模块从400G升级至800G规模化商用，1.6T逐步批量落地，3.2T进入研发送样阶段。高速光模块已成为算力基建刚需。技术路线则走向高集成，硅光、CPO共封装光学、NPO近封装等方案快速演进，把光芯片与电芯片封装在一起，降低功耗、提升带宽，适配下一代超大算力集群。

国产替代的重心，正在从模块转向光芯片与上游装备。国内光模块封装全球领先，但高端EML等高速光芯片自给率偏低，而光芯片的源头是外延装备。以一塔半导体为代表的国产砷磷MOCVD制造商坚持正向研发，技术突破，将打通“国产装备—外延片—光芯片—光模块”完整链条，解决源头卡脖子问题。除AI数据中心外，5G/6G通信、卫星光互联、Micro-LED红黄光外延等场景，也会持续拉动砷磷基化合物半导体装备与材料需求。

图：ETA-Semitech砷磷MOCVD

光模块是算力网络的基础硬件，但产业竞争的胜负，最终落在上游光芯片；而光芯片的根基，在于外延材料与MOCVD装备。随着国产核心装备逐步实现工程化与量产验证，我国光电子产业链有望从模块组装走向底层装备自主。

参考资料：

[1]光模块及核心元器件发展现状

[2]一次性说清楚光芯片、光模块、光通信

[3]CPO（光电共封装）看懂这一篇足够了

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