3. 芯片级光互连的核心器件栈
芯片级光互连并不是把分立的光模块缩小后搬到封装里，而是把一条完整的光链路拆解成若干可集成的功能单元，再按材料与工艺能力重新组合。理解器件栈的关键，是建立"电信号在何处变成光、光在何处被约束和分配、光在何处变回电"这条主线。本节按信号流向依次讨论片上激光器、调制器、波导、分束器、耦合器与光电探测器，并说明每个器件的功能、典型结构与性能折中。
光源：片上激光器与外部光源的取舍
光源决定链路的光功率预算与噪声下限。硅本身是间接带隙材料，发光效率极低，因此纯硅片上激光器长期停留在研究阶段。工程上主流做法有三类：一是外置激光器加光纤/光栅耦合进片，优点是光源性能好、可更换、热隔离彻底，代价是引入耦合损耗与封装复杂度；二是异质集成，把 III-V 族增益材料键合或外延到硅波导上，形成片上增益区，可实现片上发光甚至片上放大；三是量子点或锗锡等新型增益材料路线，仍在成熟过程中。
典型参数上，分布式反馈（DFB）激光器单模输出功率约 10～20 mW，边模抑制比大于 40 dB，波长温度漂移约 0.08～0.1 nm/℃。这个温漂系数意味着温度变化 10 ℃ 就会带来约 1 nm 的波长偏移，对密集波分复用系统必须配合温控或波长锁定。微环调制器对波长极其敏感，因此光源波长稳定性往往比绝对功率更关键。
调制器：把电信号写入光载波
调制器是电域与光域的真正接口。硅基调制主要依赖等离子体色散效应：改变波导中自由载流子浓度，即可改变折射率与吸收。常见结构包括马赫-曾德尔调制器（MZM）和微环调制器（MRM）。MZM 通过干涉臂相位差实现强度调制，光学带宽宽、温度鲁棒性好，但尺寸通常在毫米量级，驱动电压较高；MRM 利用谐振峰偏移调制，尺寸可小到十几微米，功耗低，但对波长和温度敏感，需要锁定。
以典型的 56 Gb/s PAM4 硅光微环为例，驱动摆幅约 1～2 V，插入损耗约 1 dB，消光比可做到 5～8 dB。判断调制器是否可用，不能只看速率，要同时看插入损耗、消光比、驱动电压与温度稳定性。插入损耗直接吃掉链路预算，消光比决定接收端能否区分高低电平，驱动电压决定驱动器功耗与工艺难度。
波导与分束器：光的"导线"与"岔路口"
波导负责在芯片内约束和传输光。硅波导通常采用 220 nm 顶层硅、2～3 μm 埋氧层，单模条件要求波导宽度约 400～500 nm。单模硅波导传输损耗典型值为 1～3 dB/cm，弯曲半径可小到 5～10 μm，这是硅光能够高密度集成的根本原因。但波导损耗是分布式累积的，长距离片上路由必须谨慎规划。
分束器把一路光按比例分配到多路，常见形式有多模干涉器（MMI）和定向耦合器。1×2 MMI 典型插入损耗约 0.3～0.5 dB，分光比可设计为 50:50 或非对称比例，工艺容差较好；定向耦合器结构简单，但分光比对间隙尺寸敏感。分束器的核心折中是均匀性、带宽与损耗：级联分束会累积损耗与相位误差，因此阵列规模越大，越需要把分束网络与相位控制一起设计。
耦合器：芯片与外部世界的接口
耦合器解决模式尺寸失配问题。光纤模场直径约 10 μm，硅波导模场仅几百纳米，直接对接损耗极大。光栅耦合器利用周期结构把垂直入射光衍射进波导，优点是可在芯片表面任意位置测试，缺点是带宽较窄、偏振敏感，典型耦合损耗约 2～4 dB。端面耦合器（如倒锥）通过逐渐缩小波导使模场扩展，带宽宽、偏振相关损耗低，但需要解理面或深刻蚀，封装对准精度要求高。选择哪种耦合方式，取决于封装形式、带宽需求与测试策略。
光电探测器：光信号回到电域
硅在通信波段吸收很弱，因此探测器通常采用锗吸收层加硅波导的结构。锗 PIN 探测器在 1310/1550 nm 的响应度典型为 0.8～1.0 A/W，暗电流在纳安量级，带宽可达 50 GHz 以上。响应度决定接收灵敏度，暗电流决定噪声底，带宽决定可支持速率。探测器之后通常接跨阻放大器（TIA），把光电流转换为电压并放大，这一级的噪声与带宽同样影响整体链路性能。
器件—系统接口的认知框架
把上述器件串起来看，链路预算是最直接的接口语言。假设激光器输出 13 dBm，调制器插损 1 dB，片上波导损耗 0.5 dB，分束器插损 0.5 dB，耦合器损耗 3 dB，则到达探测器前约 8 dBm。若探测器灵敏度为 −8 dBm，则链路余量约 16 dB。这个余量要同时覆盖温度引起的波长漂移、工艺导致的耦合损耗波动、以及长期老化。余量不足时，优先优化损耗最大的环节，而不是盲目提高激光功率——提高功率会带来热效应与可靠性问题。
第二个接口是波长规划。微环调制器和微环分束器都依赖谐振，必须让激光波长、微环谐振峰与探测器响应带对齐。温度每变化 1 ℃，硅折射率变化约 1.8×10⁻⁴，微环谐振峰漂移约 0.06～0.1 nm。因此片上通常需要集成微加热器进行热调谐，调谐功耗每通道约几毫瓦到十几毫瓦，这部分功耗必须计入系统总功耗。
第三个接口是偏振与模式。硅波导对偏振敏感，光栅耦合器通常只耦合一个偏振。若外部光纤偏振态随机，需要偏振分集或偏振旋转结构，这会增加器件数量与损耗。设计时应明确系统是否允许偏振控制，再决定耦合器与波导的选型。
综合来看，芯片级光互连的器件栈不是一堆独立元件的堆叠，而是一条以功率预算、波长规划、偏振管理和热管理为约束的协同设计链。理解每个器件在链路中的位置与代价，才能在系统层面做出合理取舍。