2. 硅光平台基础
硅光平台的核心，是把光场约束在硅材料及其邻近介质中，并借助成熟的CMOS工艺实现片上光路的批量制造。理解这一平台，需要同时抓住两条主线：一条是“光怎么走、怎么分、怎么变、怎么测”的器件物理；另一条是“能做什么、不能做什么”的工艺约束。二者共同决定了硅光芯片的设计空间。
SOI波导：把光锁在硅里
硅光最常用的衬底是SOI（Silicon-On-Insulator），典型结构为：顶层硅（器件层，厚度常见220 nm或340 nm）、埋氧层BOX（约2～3 μm）、硅衬底。埋氧层折射率约1.44，远低于硅的约3.48，形成强折射率差，使光在垂直方向被限制在顶层硅内。水平方向则通过刻蚀形成条形或脊形波导，利用硅与包层（空气或SiO₂）的折射率差实现横向约束。
单模条件与波导尺寸直接相关。以220 nm顶层硅为例，条形波导宽度约450～500 nm时可近似单模传输，对1550 nm波段有效折射率约2.4。若宽度过大，会出现高阶模；过小则模式泄漏到衬底，损耗急剧上升。脊形波导（如刻蚀深度约70～100 nm）则适合需要低损耗、较大模式体积的场合，但弯曲半径会增大。弯曲波导的辐射损耗随半径减小而指数上升，典型单模条形波导的弯曲半径约5～10 μm，脊形波导则常需20 μm以上。
工艺约束在这里非常具体：顶层硅厚度由晶圆厂决定，设计者不能随意选择；刻蚀深度、侧壁粗糙度、线宽偏差都会影响有效折射率和损耗。侧壁粗糙度引起的散射损耗是硅波导的主要损耗来源之一，典型单模波导传输损耗约1～3 dB/cm。因此，版图设计必须遵守晶圆厂提供的设计规则，包括最小线宽、最小间距、刻蚀层次等。
硅基无源器件：分光、耦合与滤波
无源器件负责光的传输、分配、耦合和波长选择。最基础的是定向耦合器：两根波导靠近时，模式重叠导致能量周期性交换。耦合长度与波导间距、宽度密切相关。例如，220 nm顶层硅、500 nm宽波导，间距200 nm时，耦合长度约10～20 μm量级。基于定向耦合器可以构建分束器（1×2、2×2）、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和环形谐振器。
MZI由两个耦合器和两段臂组成，臂长差ΔL决定自由光谱范围FSR。公式为FSR = λ²/(ng·ΔL)，其中ng为群折射率，硅波导中约4.2。若需要FSR为20 nm，在1550 nm处ΔL约为28 μm。MZI可用于滤波、调制和开关。环形谐振器则利用环与直波导的耦合，在谐振波长处光被耦合进环并损耗，形成陷波或带通。品质因子Q取决于环的损耗和耦合系数，典型值可达10⁴～10⁵。
光栅耦合器是芯片与光纤之间的关键接口。由于硅波导模场尺寸约0.5 μm，而单模光纤模场约10 μm，直接耦合损耗极大。光栅耦合器通过周期性结构将垂直入射光衍射进波导，典型耦合损耗约2～5 dB，带宽约30～40 nm。其工艺约束包括光栅周期、刻蚀深度和填充因子，这些参数对波长和偏振非常敏感。相比之下，端面耦合器需要将波导模场通过锥形结构扩展到约3 μm，再与光纤对接，损耗可低至1 dB以下，但需要精确的端面切割和对准。
调制器：用电压控制光的相位与强度
硅的线性电光效应（普克尔斯效应）很弱，因此硅光调制器主要依靠等离子体色散效应：通过注入或耗尽载流子改变硅的折射率和吸收。最常用的是反向偏置PN结嵌入波导的耗尽型调制器。当施加反向电压时，耗尽区展宽，载流子浓度下降，有效折射率增加，相位改变。相位变化Δφ = (2π/λ)·Δneff·L，要获得π相移，典型L约1～3 mm，Vπ·L约1～2 V·cm。
将PN结放在MZI的一臂或两臂中，即可将相位调制转换为强度调制。调制带宽受RC时间常数限制，典型硅光调制器带宽约20～50 GHz。工艺约束包括：掺杂浓度和剖面决定调制效率和损耗，掺杂越重，调制越强但损耗越大；PN结位置必须与光模场精确对准，偏差几十纳米就会显著降低效率。此外，硅波导中双光子吸收和自由载流子吸收会限制光功率，通常片上光功率控制在10～100 mW量级。
探测器：把光变成电
硅在1550 nm波段几乎不吸收光（带隙约1.12 eV，对应吸收边约1100 nm），因此不能直接做探测器。硅光平台通常采用异质集成：在硅波导上外延或键合Ge（锗），利用Ge在1550 nm的强吸收形成PIN或雪崩光电二极管。典型Ge探测器响应度约0.8～1.0 A/W，暗电流约nA～μA量级，带宽可达30～50 GHz。
另一种方案是III-V材料键合，如InGaAs探测器，性能更优但工艺复杂、成本高。工艺约束包括：Ge外延的缺陷密度影响暗电流，退火温度影响掺杂分布，金属接触的欧姆接触质量影响串联电阻和带宽。探测器通常需要偏置电压，反向偏置可提高带宽但增加暗电流，设计时需在灵敏度和速度之间折中。
总体来看，硅光平台的能力边界由材料属性与工艺规则共同划定。SOI波导提供了强约束和低损耗的传输基础，无源器件实现了分光与耦合，调制器和探测器则完成了电光转换。设计者的任务，是在这些约束下找到性能、尺寸与良率的平衡点。