光联AI，芯载未来：面向智算的高性能CW光源！

2025-11-14 20:51

在AI算力需求的强劲推动下，高速光模块市场不断迭代，主流产品已经逐步从400G切换到800G／1．6T，Lightcounting的最新预测显示26年将迎来800G光模块需求的爆发式增长。在AI光互联中，针对100m以上的互联场景往往以单模解决方案为主，底层光芯片解决方案主要分为两类：传统的EML方案、新兴的硅光方案（SiPh）。其中EML方案凭借其优秀的传输特性主要用于FR等合波场景，在2km传输场景更具性价比；硅光方案以其天然的易集成优势，多用于DR等多路并行场景，传输距离以500m应用居多。

图1：400G硅光光模块架构（来源：Intel）

受限于硅材料本身特性的限制，目前硅光方案还需要通过外置光源耦合的方式为硅基芯片提供持续稳定的光输入，这对外置光源激光器提出了更高要求：稳定的单模输出、优异的高温性能、高可靠性。当前硅光外置光源通常是采用工作在O波段的连续波（CW）分布反馈式半导体激光器（DFB）芯片。作为核心发光元件，CW DFB光源技术路线的选择直接影响着光模块的性能、可靠性与成本结构，如材料体系（InGaAsP ／InGaAlAs）、波导结构（BH／RWG）及集成方案，从根本上决定了光模块的性能上限、可靠性表现与成本构成。下文将系统剖析其关键影响因素与技术发展路径。

CW DFB光源的波导结构设计

在CW DFB光源芯片中，为了实现稳定的单横模输出，必须引入有效的横向光场和载流子限制结构。目前，掩埋型异质结（BH）和脊型波导（RWG）是业内两种主流的波导结构设计，不同设计也决定了相应的激光器的性能、制造工艺和适用场景。以下列表对比说明两种方案的优缺点：

对比维度	掩埋型异质结（BH）	脊型波导（RWG）
结构核心	通过两次或多次外延生长实现。在第一次外延生长有源区后，通过光刻和刻蚀工艺形成条形台面结构，随后进行第二次外延，用电流阻挡层（如反偏PN结）将有源区台面在横向进行“掩埋”。	通过在有源区上方刻蚀出一个脊状结构，利用脊两侧与空气（或低折射率介质）形成的有效折射率差来实现对光场的限制。
工艺复杂度	工艺流程极为复杂，尤其是二次外延的再生长界面质量难以控制，容易引入缺陷，对芯片的长期可靠性构成潜在风险。	制造工艺简单，仅需一次外延生长和标准的半导体刻蚀工艺，避免了复杂的再生长过程及其带来的界面问题。
优势	较强的载流子限制能力，较低的阈值电流。远场发散角基本保持为圆形，和硅光光口光斑匹配度较高	具有更高的可靠性、制造良率以及成本优势
劣势	复杂的工艺导致较低的制造良率和较高的成本	电流限制能力弱于BH结构；远场发散角较为椭圆，和硅光波导耦合效率偏低

图2：BH结构和RWG结构差异示意图

CW DFB光源的有源区材料选择

除了波导结构设计，有源区材料体系的选择对激光器性能，尤其是高温性能，起着决定性作用。目前，有两种主流有源区材料：InGaAlAs （铝镓铟砷）和InGaAsP （铟镓砷磷），下表对比了两种材料体系的优缺点：

对比维度	InGaAlAs 铝镓铟砷	InGaAsP 铟镓砷磷
特点	含铝（Al）的四元材料体系	传统的InP基四元材料体系，工艺成熟度高
高温工作性能	与InP匹配的InGaAlAs材料具有更大的导带带阶（ΔEc／ΔEg ≈ 0．7）。这能更有效地限制电子，显著抑制高温下的载流子泄漏，从而实现优异的高温性能、更低的阈值电流和更高的特征温度（T?）。	该材料体系的导带带阶（Conduction Band Offset， ΔEc）相对较小。在高温工作条件下，电子更容易越过异质结势垒，产生严重的载流子泄漏，导致阈值电流显著升高，特征温度（T?）较低，斜率效率下降。
工艺挑战	铝元素化学性质活泼，在空气中极易氧化，为外延生长和后续工艺（特别是掩埋再生长）带来了巨大挑战。	＼

图3：InGaAlAs和InGaAsP材料能带结构示意图（来源FUJITSU）

CW光源技术路线对比

综合考虑以上两种波导设计和材料体系，目前主流的芯片设计方案主要包含如下三种：

材料结构组合	协同效应
BH ＋ InGaAsP	性能稳定，但受限于InGaAsP材料的物理特性，其高温性能稍弱。
BH ＋ InGaAlAs	性能优秀，在BH的二次外延过程中，含铝的有源区界面一旦暴露在腔室环境中，极易形成一层致密的氧化物，导致再生长界面出现大量缺陷，很难实现规模量产，特别是匹配硅光的高电流和高光功率的工作场景，可靠性问题短期难以克服。
RWG ＋ InGaAlAs	性能均衡，RWG结构的一次性外延工艺规避了含铝材料的再生长问题，使得InGaAlAs材料体系的优异高温性能得以充分发挥，实现优秀的高温出光性能，弥补了椭圆光斑带来的耦合损耗。

因此，目前的市场上两种可行的组合是BH＋InGaAsP和RWG＋InGaAIAs。

可靠性视角下的CW DFB光源

技术路线差异

DFB激光器的典型失效模式主要分为腔内失效和端面失效两大类，不同技术方案的可靠性风险点各不相同．下图列举了半导体激光器芯片的典型失效模式。

图4：激光器芯片的典型失效模式来源M． Fukuda ／ Microelectronics Reliability 47 （2007） 1619–1624

BH＋InGaAsP方案的腔内可靠性挑战

●可靠性风险：二次外延再生长界面缺陷

●失效机理：复杂的掩埋生长和刻蚀工艺在腔内引入的界面态、晶格缺陷等，可能成为非辐射复合中心，导致器件性能渐进性退化

●质量控制：强烈依赖于极其精密的外延控制与界面处理工艺技术

RWG＋InGaAlAs方案的端面可靠性解决方案

●风险焦点：含铝材料的端面氧化问题

●解决方案：通过特殊的端面处理设备与工艺，如原位钝化技术，在超高真空环境下完成端面清洁与介质膜沉积，显著增强端面强壮性

实践证明，通过优化端面工艺，RWG＋InGaAlAs方案可实现极高的可靠性等级。

长光华芯CW光源系列产品

RWG ＋ InGaAlAs方案综合性能优异，工艺复杂度低，具备良好的可制造性，优势十分显著，但是依然存在一个技术挑战：激光器出光端面（Facet）的铝在解离后存在氧化的可能性，引发渐变性功率衰减甚至灾变性光学损伤（COD），长期可靠性仍是亟待攻克的核心难点。

长光华芯在高功率半导体激光芯片方面有十余年研发和产品化经验，高功率系列产品均基于脊型波导结构设计，为了解决高功率激光器芯片含铝端面氧化问题，长光华芯成功开发了超高真空解离＋原位端面钝化技术，确保了端面在最洁净的状态下被完美“封存”，从根本上解决端面氧化问题。采用该技术方案，长光华芯高功率半导体激光芯片累计发货量达亿颗级别，经过市场长期验证，工艺成熟性与产品稳定性获得市场广泛认可。

基于高功率半导体激光芯片领域十余年的技术积累，长光华芯沿用成熟的RWG设计和端面钝化工艺开发了硅光光源芯片，解决了长期可靠性难题，现已成功推出宽温 70mW／100mW／200mW等 CW DFB光源产品，持续为高速硅光模块提供高性能光源解决方案！