硅光芯片为什么开始自己“测光”？从Tapless监测到动态功率控制
过去讨论硅光芯片时，工程重点通常集中在调制器、光探测器、耦合器以及光波导损耗等器件本身。但随着光子集成度继续提高，一个越来越现实的问题开始出现：芯片内部的光功率到底如何实时知道？
传统方案往往需要在光路中增加监测支路，通过分光器或光功率监测器抽取一部分光，再把光信号转换成电信号进行检测。
问题也随之出现。
一旦需要“抽光”才能测光，就意味着光路中增加了额外器件，同时会产生一定的光功率开销。对于已经在追求高集成度、低损耗和高能效的硅光芯片而言，这种方案并不总是理想。
2026年9月，Optics Express发表了一项新的研究：Self-sensing III-V/Si active diode for tapless optical power regulation in silicon photonic integrated circuits。论文提出利用III-V/Si异质集成有源二极管实现无需传统分光抽头的光功率调节，也就是所谓的tapless optical power regulation。
这背后的真正变化不是简单增加一个“光功率计”，而是尝试让光电器件同时承担感知与控制功能。
一、传统硅光芯片为什么需要“抽一部分光”才能监测？
在典型的集成光路中，如果工程人员希望知道某个节点上的实际光功率，一种直接方法是在主光路旁增加监测结构。
基本过程可以理解为：
主光信号进入芯片后，一小部分光被分离出来；
被分离出来的光进入光电探测器；
探测器将光功率转换成电流；
控制电路根据检测结果调整激光器、调制器或其他有源器件。
这种方案技术成熟，而且容易理解。
但问题是，监测本身会改变原来的光路。
例如一个监测结构从主光路中抽取一定比例的光，那么后级真正能够获得的光功率就会下降。
如果一个节点需要多级监测，光功率预算就会进一步被消耗。
对于传统分立式光模块而言，这种代价通常比较容易接受。
但对于高度集成的PIC，也就是光子集成电路而言，情况不同。
当几十个甚至更多光学功能集中在一块芯片上时，每增加一个耦合器、分光器或监测支路，都可能增加面积、插入损耗、工艺复杂度和控制难度。
因此，“如何监测光功率，但又尽可能不打扰主光路”，成为一个很实际的工程问题。
二、什么是Tapless光功率监测？
Tapless可以简单理解为“不通过传统光抽头直接取出一部分光”。
传统方案更接近：
主光路 → 分光 → 光电探测 → 功率判断
而Tapless方案希望实现：
主光路 → 光电器件感知 → 功率判断/控制
这里最关键的不是“有没有探测器”，而是探测器如何获得与光功率相关的信息。
如果仍然需要专门把主光分出来，那么本质上还是传统监测结构。
因此，Tapless技术真正要解决的是：
在尽量不增加传统光抽头的情况下，让器件本身产生能够反映光功率的电学信号。
这也是2026年相关研究值得关注的原因。
Optics Express公布的研究采用III-V/Si结构，把具有有源光电特性的III-V材料与硅光平台结合，用于实现片上光功率调节。
三、为什么要把III-V材料和硅光平台结合？
硅光平台最大的优势之一是能够利用成熟的硅工艺制造大量无源光学结构。
例如：
1、硅波导
2、耦合器
3、分束器
4、调制器
5、WDM结构
但硅材料本身并不是理想的发光材料。
因此，在需要激光器、某些高性能有源光电器件时，III-V族半导体仍然具有重要价值。
III-V材料可以提供较强的光电转换以及有源器件能力，而硅平台则负责大规模光路集成。
于是形成了一种典型的异质集成思路：
硅负责“铺光路”，III-V负责“做有源器件”。
这也是III-V/Si hybrid integration长期受到关注的原因。
过去这种结构更多被讨论用于激光器和光探测器，而最新研究进一步把它用于片上光功率感知与控制。
四、“自感知”到底是什么意思？
这里的Self-sensing并不是说芯片具备类似人工智能的自主判断能力。
从器件角度看，它主要意味着：
器件自身能够产生与光功率相关的电学反馈信号。
例如，当进入器件的光功率发生变化时，器件内部产生的电流、电压或其他电学参数随之变化。
控制系统就可以利用这个信号判断当前光功率状态。
如果再把反馈信号送入控制环路，就可以进一步实现动态调节。
于是系统从“检测”升级成：
感知 → 判断 → 调节 → 再感知
这就形成了一个闭环。
对于硅光芯片而言，这种结构比单纯增加一个监测器更有工程意义。
五、为什么动态光功率控制越来越重要？
因为现代光子芯片面对的不是一个固定光功率。
实际工作过程中，光功率会受到很多因素影响。
例如：
1、激光器输出变化
2、器件温度变化
3、调制器工作状态变化
4、波导和耦合结构的工艺偏差
5、不同波长之间的功率差异
6、封装后的耦合状态变化
因此，一个固定的驱动电流并不一定能够让光路长期保持相同的工作状态。
如果芯片能够实时获得光功率反馈，就可以根据实际状态进行动态调节。
这与传统“设定一个电流，然后希望输出保持稳定”的思路不同。
更接近于：
实际光功率发生变化 → 片上检测 → 控制参数变化 → 光功率重新调整。
对于需要长期稳定运行的高速光子系统，这种闭环控制尤其重要。
六、为什么“少一个光抽头”可能很重要？
单独看一个光抽头，它造成的影响可能并不大。
但如果一个PIC内部有大量监测节点，情况就完全不同。
假设一块芯片中有10个监测节点，每个节点都需要额外的分光和检测结构。
那么增加的不只是10个探测器。
还包括：
分光器面积；
波导连接；
额外光路；
耦合损耗；
电连接；
控制通道；
版图空间。
这会进一步影响芯片面积和封装复杂度。
因此，Tapless方案的价值并不是“节省一个小器件”，而是当监测节点数量持续增加后，可以从系统级降低监测结构对光路和版图的影响。
这也是为什么“监测器件本身是否会扰动主光路”，正在成为高集成度硅光设计中的一个重要问题。
七、这项技术与传统光功率监测有什么区别？
| 对比项目 | 传统监测结构 | Tapless思路 |
|---|---|---|
| 光功率获取 | 通常需要分光 | 尝试避免传统光抽头 |
| 主光路影响 | 存在额外分光结构 | 有望降低监测对主光路的影响 |
| 器件数量 | 分光器+探测器等 | 探测与感知功能进一步集成 |
| 芯片面积 | 需要额外监测支路 | 有潜力缩小监测结构 |
| 控制方式 | 检测后再控制 | 更适合形成片上反馈环 |
| 集成方向 | 监测功能独立 | 感知与有源控制进一步融合 |
需要注意的是，Tapless并不意味着完全不需要任何光电转换结构，也不意味着所有硅光芯片都应该取消传统监测器。
它解决的是特定场景下的监测结构优化问题。
八、真正困难的地方不是“能不能测”，而是测得准不准
工程上最重要的问题其实不是产生一个电流信号。
而是：
这个电流到底能不能准确反映实际光功率？
因为光电器件的响应并不是完全理想的。
温度变化、材料特性、波长变化以及器件制造偏差，都可能改变电学响应。
因此，如果希望利用自感知器件实现闭环控制，就需要考虑器件响应的一致性。
例如：
同样的输入光功率，在不同温度下是否产生相同的电流？
不同波长进入器件后，响应是否发生明显变化？
不同芯片之间的器件参数是否一致？
器件长期工作后，响应是否发生漂移？
这些问题直接决定了该技术能不能从实验室器件进入大规模硅光产品。
九、这也是为什么“工艺一致性”会成为下一阶段的关键
硅光芯片正在越来越多地采用晶圆级制造。
这意味着一个设计并不是只制造一个芯片，而是需要在一片晶圆上同时制造大量器件。
如果一个自感知器件的响应存在较大的芯片间差异，那么后端控制系统就必须进行校准。
这会增加：
测试时间；
校准数据；
生产流程；
控制电路复杂度。
因此，未来真正影响这类技术量产价值的指标，不仅是实验室里的灵敏度或响应速度，还包括：
1、晶圆内一致性
2、晶圆间一致性
3、温度稳定性
4、波长依赖性
5、长期可靠性
6、校准成本
这几个指标甚至可能比单一器件性能更加重要。
十、从“监测器”走向“感知+控制器件”
从技术发展路径来看，硅光芯片里的光电器件正在发生一个明显变化。
早期：
光学器件负责传输和调制。
后来：
加入光探测器，实现光信号监测。
再进一步：
探测器输出参与控制。
而现在的研究开始尝试：
器件本身同时承担感知和控制反馈的一部分功能。
这意味着未来的硅光PIC可能不再只是“光路集成”。
它会逐渐变成：
光学器件 + 光电感知 + 电控反馈
三者高度耦合的平台。
这对于高速光模块、CPO、光计算以及大规模光互连都具有潜在意义。
十一、对工程设计有什么实际启发？
如果未来这类技术进入更成熟的产品阶段，设计硅光芯片时需要考虑的问题也会发生变化。
以前设计人员可能首先考虑：
光路怎么走？
耦合损耗是多少？
调制器性能怎么样？
现在还需要进一步考虑：
监测点放在哪里？
监测会不会影响主光路？
反馈信号如何进入控制环？
温度变化如何补偿？
不同芯片之间如何校准？
也就是说，光路设计与电控设计之间的边界会越来越模糊。
对于高集成度光子芯片而言，“可监测、可校准、可控制”可能会逐渐成为与低损耗、高速率同样重要的设计指标。
十二、结语：硅光下一步拼的可能不是“多集成一个器件”
从2026年的研究趋势来看，硅光技术正在从单纯追求器件性能，逐步向系统级集成发展。
最新的III-V/Si自感知光功率控制研究提供了一个很有代表性的方向：不只是把探测器放到芯片上，而是尝试让光电器件直接参与光功率感知和调节。
这背后的工程逻辑非常明确：
光路越来越复杂 → 监测节点越来越多 → 传统抽头带来的成本越来越明显 → 感知与控制需要进一步集成。
因此，未来硅光芯片竞争的重点可能不仅是“能跑多高速”，还包括能否做到更低扰动、更少监测结构、更高一致性以及更智能的片上控制。
这也是“Self-sensing”这类技术值得持续关注的原因。
