一文读懂光芯片—— 原理 · 应用 · 封装 · 测试 全解析

在一只光模块的成本中，光芯片（激光器芯片 + 探测器芯片）通常占 30%~60%，速率越高，占比越大。AI 算力浪潮下，800G / 1.6T 光模块需求爆发，光芯片也成为整个产业链中技术壁垒最高、国产化率最低的环节之一；也是未来国产化方向的一个重要板块。

光芯片泛指实现"电—光"或"光—电"转换及光信号处理的半导体芯片。

图 1 · 光芯片分类全景（功能 × 材料 × 出光方式）

▍1.1 按功能分：四大类

• 激光器芯片（发光）：把电信号变成光信号，是发射端核心。包括 FP、DFB、EML、VCSEL、CW 等；

• 探测器芯片（收光）：把光信号变回电信号，主要是 PIN 和 APD 两种；

• 调制器芯片：本身不发光，负责给连续光"加载"信号，如电吸收调制器（EA）、马赫-曾德调制器（MZM，材料为 InP / Si / LiNbO3）；

• 无源光芯片：分路器、PLC、AWG（阵列波导光栅）等，实现分光/合波/耦合，材料以 SiO2 / Si 为主。

▍1.2 按材料分：衬底决定基因（波段）

• InP（磷化铟）：1310/1550nm 通信波段的"正统"材料，FP、DFB、EML、CW 激光器都长在 InP 衬底上；

• GaAs（砷化镓）：850nm 波段 VCSEL 的母材，也用于 3D 传感，激光雷达；

• Si / Ge（硅/锗）：硅光平台与探测器的主力，Ge-on-Si 探测器广泛用于高速接收；

• LiNbO3（铌酸锂）：高性能外调制器材料，骨干网相干通信的常客。

▍1.3 按出光方向分（最常规的工程分法）

• 边发射（EEL）：光沿芯片表面从解理端面水平射出，FP / DFB / EML / CW 都属于此类，需解理成 Bar 条后才能测试；

• 面发射（SEL）：光垂直于芯片表面射出，代表就是 VCSEL，可在晶圆上直接测试，天然适合二维阵列。

▍1.4 光通信内部结构及通讯原理

图 2 · 光芯片在光模块信号链中的位置

光模块内部结构：激光器芯片（TOSA）、探测器芯片（ROSA）、驱动与放大电芯片、无源光学件共同封装在小小的壳体中——光芯片体积虽小，却决定了模块的速率、距离与成本上限。

图 3 · 光模块内部结构 3D 拆解示意

五类芯片的本质都是半导体激光器：给 PN 结正向注入电流，有源区（量子阱）内电子与空穴复合发光，光在谐振腔内往返放大，最终形成激光输出。区别在于——谐振腔怎么构成、光从哪里出来、信号怎么加载。

▍2.1 FP 芯片：最经典的“两面镜子”

FP（Fabry-Pérot，法布里-珀罗）激光器是最古老、结构最简单的半导体激光器。它的谐振腔不需要任何额外加工：芯片沿晶面解理后，两个天然平整的端面就是反射镜（解理面反射率约 30%），光在有源波导中来回反射、受激放大，从端面射出。

• 谐振条件：2nL = mλ（n 为折射率，L 为腔长，m 为整数）——腔长是半波长的整数倍时形成驻波；

• 由于增益谱很宽，满足条件的波长有多个 → 输出是多纵模，模式间隔 Δλ ≈ λ²/(2nL)，典型谱宽几个 nm；

• 信号加载方式：直接调制（DML）——驱动电流直接按 "0/1" 变化。

图 4 · FP 芯片层叠结构（左）与多纵模光谱（右）

▍2.2 DFB 芯片：内置“光栅筛子”的单色激光器

DFB（Distributed Feedback，分布反馈）激光器在 FP 的基础上，把"选频"做到了芯片内部：在有源层旁边刻蚀一层周期性的布拉格光栅（折射率波纹），只有满足布拉格条件的特定波长被择优反馈放大，其余纵模全部抑制。

• 输出单纵模：谱宽 <0.1nm，边模抑制比 SMSR >30dB；

• 波长由光栅周期决定，温度稳定性好（约 0.1nm/°C）；

• 同样采用直接调制（DML），10G/25G 是主力速率，成本远低于 EML。

图 5 · DFB 芯片结构：有源区上方的布拉格光栅实现单纵模选频

▍2.3 EML 芯片：激光器 + 调制器“二合一”

EML（Electro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器）把两段功能单片集成在一颗芯片上：

• DFB 段：加恒定电流，输出稳定的连续单纵模激光；

• EA 调制段：利用量子限制斯塔克效应（QCSE）——加反向偏压时有源区吸收边移动，对光"快关快开"，把电信号加载到光上；

• 优势：调制时 DFB 段电流不变 → 啁啾（chirp）极小，高速信号在光纤里走得更远（40~80km）。

图 6 · EML 芯片结构：DFB 发光段 + EA 电吸收调制段单片集成

▍2.4 VCSEL 芯片：垂直出光的“性价比之王”

VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面发射激光器）完全颠覆了出光方向：有源区被夹在上下两面DBR（分布式布拉格反射镜）之间，光垂直于芯片表面射出，就像从芯片"头顶"打出一束光。

图 7 · VCSEL 芯片结构：上下 DBR 反射镜夹有源区，垂直面发射

• 腔长极短（微米级）→ 纵模间隔大，天然单纵模；

• 圆形对称光斑，与多模光纤耦合容易、成本低；

• 阈值电流仅 mA 级，功耗低；且可在晶圆状态直接测试，省去解理封装前的筛选成本，还能做二维阵列。

▍2.5 CW 芯片：硅光时代的“外置灯塔”

CW（Continuous Wave，连续波）激光器本身不带信号——它是一台大功率、高稳定性的"连续光源"（本质多为高性能 DFB），专门为硅光模块而生：硅材料发光效率低，硅光芯片上不集成激光器，而是外置 CW 光源（ELS），光耦合进硅光芯片后由硅基调制器加载信号。

• 一颗高功率 CW 可通过分光供多路通道共享，降低模块整体成本；

• 核心要求：大功率（70mW+）、低噪声（低 RIN）、高可靠性；

• 是 400G/800G/1.6T 硅光模块和 CPO（共封装光学）的关键器件。

图 8 · COB 数通封装与硅光封装（外置 CW 光源）示意

五类芯片没有绝对的好坏，只有"合不合适的战场"。核心规律是：距离越短、速率越低 → 拼成本（VCSEL/FP）；距离越长、速率越高 → 拼性能（DFB/EML/CW+硅光）。

图 9 · 五类激光器芯片优缺点与应用场景对比表
数据来源：综合海通证券《源杰科技》研报表 5[13]、易飞扬技术文章[5]及用户提供的对比素材整理

芯片只是元件，要变成能插进交换机的光模块，还差一个关键环节——封装。封装决定三件事：散热好不好、光耦得准不准、成本高不高。主流的激光器封装有几种形态，再加上近两年大热的硅光封装：

▍4.1 TO-CAN：同轴气密封装，低速场景的经典

• 金属同轴管壳（TO-56 / TO-46），芯片贴在热沉上、金线键合、封帽气密；

• 优点：结构简单、气密性好、成本极低；缺点：体积大、带宽有限（≤25G）；

• 典型用户：FP / 低速 DFB / VCSEL，PON 接入网、低速光模块。

图 11 · TO-CAN 同轴封装结构示意

▍4.2 BOX 蝶形封装：电信级高速的标配

• 陶瓷/金属蝶形壳体，内部集成 TEC 半导体制冷器、热敏电阻、光隔离器、准直透镜与光纤尾纤，两侧引出高速 RF 引脚；

• 优点：温控精准、光电性能最优、可靠性等级高（电信级）；缺点：体积大、成本高、功耗大；

• 典型用户：EML / 高速 DFB，骨干网、城域网、长距模块。

图 12 · BOX 蝶形封装结构示意（含制冷器 与隔离器）

▍4.3 Chip封装

• COB（Chip on Board）：芯片直接贴片到 PCB/陶瓷基板上，省掉 TO 管壳，体积小、成本低、适合大规模量产——数通 SR/DR 模块主流方案；

• COC（Chip on Carrier）：芯片贴装在硅 / 玻璃 / AlN 中介层（Carrier）上，中介层集成射频线、接地、热通孔，再与 PCB 互联；是 COB 的高性能变体；特点：更好的阻抗控制、散热与热机械稳定性，适合超高速（112Gbaud PAM4）；应用：高端 EML、硅光集成模块

• 硅光封装：外置 CW 光源 + 硅光芯片 + 光纤阵列精密耦合，封装从"气密盒子"变成"光电混合集成"，是 800G/1.6T 与 CPO 的技术底座；

• CPO（共封装光学）：把光引擎直接搬到交换芯片旁边，彻底绕开 PCB 高速走线的损耗瓶颈。

▍4.4 从晶圆到器件：封装工艺流程

25G DFB激光器芯片制备流程

光芯片是典型的"三分设计、七分工艺"，而工艺水平最终要靠测试来验证和筛选。行业的通行做法是分级测试：越早发现不良，成本越低。

▍5.1 分级测试流程

•Wafer 级（在片测试）：探针台扎针 + 源表供电 + OSA 收光，测 L-I-V、波长、SMSR，不良芯片打点剔除。VCSEL 的独特优势就在于面发射可晶圆级全测，边发射芯片则必须先解理；

• Bar 条级：解理成 Bar 条并完成端面镀膜后、划片前的关键一环——此时芯片还整排相连、共用衬底电极，正面用多探针排逐颗加电即可高效测试，核心任务是镀膜工艺闭环验证 + 划片前首筛，主要测五类性能：

① L-I 特性：阈值电流 Ith、斜率效率、有无 kink（功率扭曲）——镀膜改变腔镜反射率，会直接反映在阈值与效率变化上，是验证 AR/HR 镀膜是否达标的核心手段；

② I-V 特性：正向压降、串联电阻、反向漏电流，快速剔除短路 / 开路 / 漏电的不良芯片；

③ 光谱特性：中心波长、DFB 的 SMSR、FP 纵模间隔（由 Δλ≈λ²/2nL 可反推有效腔长一致性），沿 Bar 方向做波长 mapping，可暴露外延生长或光栅周期的均匀性问题；

④ 端面质量：解理纹、崩边、污染（显微目检 / AOI 自动光学检查）——端面就是腔镜，缺陷会抬高阈值甚至不起振；

⑤ 一致性筛查：整 Bar 逐颗（或抽样）测试形成参数分布图，超差位置打点标记，划片分选时直接剔除。

• Chip 级（单颗芯片测试 / Chip Test）：划片成单颗芯片后在专用测试机上逐颗加电收光，这是边发射芯片（FP/DFB/EML/CW）的第一道全参数筛选关，良品按功率/波长分档（Binning）后转入 COC 封装：

① 双温 L-I-V：常温 + 高温（特殊场景加测低温）下的阈值、斜率效率、工作点功率——高温阈值的爬升幅度是结温与散热特性的初步判据；

② 光谱：中心波长、SMSR（DFB/EML）、谱宽、波长温漂初测，波长超差的芯片在此直接分流；

③ 功率与线性度：工作电流点输出功率复查、全程 kink 检查；

④ 外观分选：电极完整性、崩边、污染的显微复检，与 Bar 级打点结果交叉核对。

• 器件级（TO /COC 级）：封装完成后器件具备了 TEC、热敏电阻、背光监控等完整工作条件，此时做的是全温区、全参数验收测试：

① 全温 L-I-V 与光谱：按电信级（-40~85°C）或商业温区扫描，考核阈值/效率温漂与波长温漂（DFB 约 0.1nm/°C）、全温 SMSR；

② 高速调制特性：眼图、消光比 ER、上升/下降时间、TDECQ——仪器为驱动板 + 高速示波器 + 参考接收机 + 误码仪 BERT；(根据测试需求提供相应测试)

③ 远场/发散角：水平/垂直发散角实测，直接决定光纤耦合效率与耦合工艺窗口；

④ 监控与校准：背光监控 PD 电流标定、功率跟踪误差；EML 器件还需加测 EA 偏压-消光比曲线与啁啾参数。

• 可靠性：高温高功率加速老化（Burn-in）、温度循环、ESD 考核（一般用COC老化机测试）。

图 14 · 光芯片分级测试流程与关键参数、仪器对照

▍5.2 五大类关键测试参数与仪器

• L-I-V 曲线：阈值电流 Ith、斜率效率、串联电阻——仪器为源表/激光器驱动 + 积分球光功率计；

• 光谱特性：中心波长、SMSR 边模抑制比（DFB/EML 核心指标，>30dB）、-20dB 谱宽/RMS 谱宽——仪器为光谱分析仪 OSA；

• 远场/发散角：水平/垂直发散角决定光纤耦合效率——仪器为远场扫描仪/光束分析仪；

• 高速调制特性：眼图、消光比 ER、上升/下降时间、TDECQ——仪器为高速示波器 + 参考接收机 + 误码仪 BERT；

• 温度特性：波长温漂（DFB 约 0.1nm/°C）、阈值温漂——仪器为 TEC 温控台 + OSA/功率计。