硅光子学异质集成：技术突破、产业实践与未来方向

https://www.optica.org/events/webinar/2026/01_january/optica_heterogeneous_integration_on_silicon_photonics/

在AI驱动的高带宽需求爆发背景下，硅光子学异质集成已从学术探讨走向规模化量产的关键阶段。2026年1月27日，Optica在线行业会议聚焦该主题，汇聚Ligentec、XCeleprint、imec、Scintil Photonics等全球产业链厂商，深入探讨技术路径、产业瓶颈与应用落地。本文基于会议核心技术内容，系统解析异质集成的技术实践、厂商布局与未来趋势。

一、主流异质集成技术路径及厂商实践

异质集成的核心是将不同材料（InP、氮化硅、薄膜铌酸锂、聚合物等）的光子学功能模块，高效集成到硅基平台，实现“各取所长”。会议中，各厂商展示了差异化的技术路径，形成多元互补的产业格局。

（一）微转印（MTP）：规模化集成的核心选择

XCeleprint作为微转印（MTP）技术的先驱，其技术成为会议焦点。MTP的核心优势包括：支持高容量数据通信市场，可实现单通道400G以上速率收发器；材料利用率显著优于传统方案——较晶圆对晶圆键合节省80%材料，较芯片对晶圆键合节省60%；支持35衬底重复使用，缓解衬底短缺问题；定位精度达300nm（roadmap目标100nm），光耦合损耗低于0.5 dB，助力低功耗系统设计。

产业落地方面，XCeleprint已构建完整价值链：2024年9月与XFAB、Ligentec达成合作，推出全球首个光子学异质集成价值链；与Intel签署意向书，推动MTP技术进入Intel硅光子制造基地；与Ennostar合作拓展亚洲产能；更通过与Seagate的合作实现量产突破——将MTP激光用于热辅助磁记录（HAMR）硬盘驱动器，该技术已获SPIE光子学棱镜奖，其核心是通过MTP实现激光与波导的高精度耦合，满足HAMR对光场聚焦与稳定性的严苛要求，验证了MTP在高良率、高容量生产中的可行性。

Ligentec基于MTP技术实现InP光电探测器与氮化硅波导平台的集成。其流程为：先在InP衬底上高密度制备光电探测器，通过芯片级测试筛选出“已知良好器件”（KGD），再通过MTP技术转移至氮化硅波导的Cavity中，实现端面耦合。

该探测器响应带宽覆盖C/O波段，泄漏电流控制在nA级别，性能与转移前一致性优异。Ligentec的roadmap显示，2026年将完成从原型到量产的过渡，2026年底至2027年拓展供应商及＞100GHz探测器产品，并启动SOA和激光器的集成研发。

（二）多元集成技术：按需选择的差异化路径

imec提出“异质集成需适配应用场景”的核心观点，展示了四种技术路径：

1. 异质外延生长：直接在300毫米硅衬底上生长氮化镓并实现激射，当前面临缺陷密度与可靠性挑战，但具备无需异质衬底的潜在优势；

2. 微转印：将InP、薄膜铌酸锂（TFLN）等转移至硅平台，已实现2.85 Vπ·L的TFLN调制器，以及100 GHz带宽的InP光电探测器，该技术与台积电的先进封装生态形成互补；

3. 芯片键合：包括晶圆对晶圆、芯片对晶圆的分子键合，已在台积电CoWoS（晶圆级系统集成）工艺中得到部分应用，用于将光子芯片与电子芯片互连，但需解决键合界面清洁度、缺陷率及长期可靠性问题；

4. 芯片级集成：将InP芯片直接bonding到衬底，复用化合物半导体代工厂的DFB激光器，适配短距离数据中心场景需求。

imec特别指出，技术选择需基于“目标衬底上异质材料的面积占比”：MTP适用于小面积异质材料集成（如单通道器件），而芯片键合更适合大面积阵列（如16通道发射器阵列）。

此外，imec与Veeco合作开发300mm BTO外延平台，旨在降低成本和MBE依赖，提升与硅工艺的兼容性，探索其在高速调制器中的应用潜力。最终方案将取决于“相对面积”，不排除最终采用晶圆对晶圆键合方案的可能，前提是成本足够低。

（三）晶圆级集成与PDK赋能：降低行业准入门槛

OpenLight与Tower Semiconductor联合开发了支持异质集成的PDK（工艺设计套件），实现InP材料在硅基平台的晶圆级集成。其完整流程为：在Tower Semiconductor的200/300mm硅晶圆上制备硅与低损耗氮化硅波导，通过等离子体处理预处理键合区域，将InP外延材料键合至硅衬底，移除异质衬底后，通过深紫外光刻在InP层制备波导、锥形耦合器及电接触，最终形成与标准硅光子晶圆兼容的产品，可直接进入OSAT封装流程。

该PDK涵盖无源器件（氮化硅/硅波导、定向耦合器、MMI、AWG等）与有源器件：DFB激光器、全波段可调谐激光器、SOA、电吸收调制器（带宽＞100 GHz）、高速光电探测器等。

OpenLight已推出多款参考设计，包括DR8 2×FR4模块、3.2 TB收发器芯片，尺寸约5.6×7.1毫米，1.6T PIC功耗2-3W，可通过倒装焊集成至衬底或PCB，400Gbps眼图消光比＞3.5 dB，满足LPO（线性直驱）配置需求。其调制器带宽已突破100 GHz，roadmap目标110 GHz，器件长度不足100微米，适配CPO（共封装光学）场景对尺寸和功耗的严苛要求。

（四）封装与系统级集成：从器件到应用的桥梁

Lumentum强调先进封装技术在异质集成中的核心作用，其CTO办公室负责人Matt Guzzi结合21年Intel先进封装经验指出，异质集成是CPO落地的关键，且需与VCSEL技术深度融合：

Lumentum采用“模块化组合”策略：整合InP激光器、VCSEL、TFLN调制器、氮化硅波导等优势模块，例如其将VCSEL芯片直接堆叠在驱动芯片上，实现高速连接、小尺寸与低功耗，已进入高容量量产。异质集成还能通过多通道并行实现带宽扩展，提升良率，并缩短产品验证周期。

Photon Bridge聚焦“无源对准异质集成”，开发了材料无关的平台，支持InP、TFLN、量子阱/量子点激光器、高速调制器等器件的集成。

其核心技术特点：采用2um宽的氮化硅波导设计，提升功率处理能力（＞1 W）与工艺容差；通过衬底上的对准标记设计，实现2-3微米的无源对准精度，最终通过波导锥形结构补偿对准偏差，达成100nm级光学对准精度；roadmap包含局部玻璃密封技术与光纤无源高效耦合方案，主要面向AI数据中心的多波长外部光源需求。

Scintil Photonics基于“SHIP（异质集成光子学）”平台，采用独特的后处理流程：在Tower Semiconductor的标准硅光子晶圆背面键合临时支撑衬底，通过等离子体刻蚀移除原始硅衬底，暴露氮化硅波导层；通过分子键合将InP外延片键合至波导区域；采用深紫外光刻与感应耦合等离子体刻蚀定义激光器光栅与波导结构；最后通过溅射工艺制备Ti/Pt/Au电接触层。

该方案的核心优势是无需修改硅光子基线流程，激光频率由光刻光栅精准控制，重复性优异。其首款产品为8波长外部光源（后续将推出16波长版本），单波长功率达10mW（20mW版本已进入流片），具备内置DFB激光温度反馈控制系统与定制65nm ASIC，频率间隔精度满足微环谐振器的耦合需求，主要面向AI数据中心的scale-up网络。

（五）高速调制技术：聚合物等离子体的突破

Polariton以高速电光聚合物等离激元技术为核心，通过硅光子平台的后处理实现高速调制，工艺简洁（仅需重分布层、材料迭代与钝化三步），已在imec的200毫米硅晶圆上完成验证。其调制器采用“硅-聚合物-金属”等离激元结构，核心参数包括：3 dB带宽平坦至100 GHz，器件尺寸仅μm级，兼具高速与宽带宽特性，适配板载光学、共封装光学等异质集成场景。Polariton当前寻求封装厂商合作，优化封装技术降低成本，推动800Gbps单通道芯片的产业化。

二、关键技术挑战与行业共识

会议中，产业链各方一致认为，异质集成的规模化落地仍面临四大核心挑战，且已形成初步解决方案：

1. 对准与耦合：XCeleprint的MTP技术通过弹性印章的微结构设计实现300nm定位；Photon Bridge的无源对准方案通过双层对准标记（顶层金属+底层介质）提升精度；Open Light的晶圆级光刻对准将偏差控制在±100nm以内；

2. 热管理与机械应力：FineTech的倒装焊设备提供上下双温区加热（温差可调节至±5℃）、激光底部加热（升温速率＞100℃/s）等功能，适配铟、金、紫外固化等不同键合材料的热特性；imec通过在键合界面引入缓冲层降低热失配应力；

3. 工艺集成与良率：厂商通过模块化设计（Lumentum的组件复用）、衬底复用（XCeleprint的MTP）、晶圆级工艺（Open Light）将单器件和阵列器件良率提升；

4. 材料兼容性：如薄膜铌酸锂的锂污染问题需专用制造基础设施，通过小批量试点与供应链协同突破。

此外，供应链重构也是行业关注焦点。全球关税与贸易不确定性推动企业从“即时生产”转向“以防万一”的供应链策略，厂商通过跨区域合作（XCeleprint布局亚洲产能）、多供应商布局（Ligentec的roadmap拓展2家以上核心供应商）降低风险。

三、应用场景拓展：从数据中心到激光雷达

异质集成的应用已从传统数据通信向多元化延伸：

1. 数据中心与AI：核心需求是高带宽、低功耗，CPO与NPO（近封装光学）成为主流方向。NewPhotonics指出，NPO因具备激光可更换的服务性，将成为2025-2028年的中短期核心方案，而CPO通过异质集成实现更高密度，是2028年后的长期趋势；

2. 激光雷达：OpenLight与PhotonBridge展示FMCW激光雷达应用潜力，通过异质集成实现窄线宽可调谐激光器、分束器阵列、SOA等组件单芯片集成，适配汽车与工业场景；

3. 存储与其他：XCeleprint与Seagate的合作将MTP激光用于HAMR硬盘驱动器，未来还将向量子计算、生物传感等场景延伸。

四、未来展望

异质集成将呈现技术路径多元化、速率与密度持续提升、成本逐步下降的趋势。随着相关技术的迭代与产业协同的深化，异质集成将成为驱动光子学产业突破性能瓶颈、实现规模化应用的核心引擎，为AI、数据中心、汽车电子等领域带来带宽与功耗的革命性提升。