【矽光子成顯學2-2】整理包：矽光子原理、技術演變、應用領域一次看！

隨著矽製程走向物理極限，「矽光子」成為解決摩爾定律瓶頸的關鍵技術，矽光子技術將光學元件用矽製程整合成晶片，把訊號由電轉為光，傳輸介質由銅線轉為光波導，解決訊號衰減、散熱等問題。到底矽光子有哪些特性和應用場景？有哪些廠商已經投入，又將如何引領下一波技術變革，本篇將完整呈現。

矽光子是甚麼？

在元宇宙、5G、AI 等應用推動下，後端的數據中心將承擔龐大資料量，傳統纜線的電信號傳輸已不敷使用。與傳統的電子訊號相較，光訊號具備高頻寬、低功耗、傳輸距離更遠等特點，不僅能提升訊號傳輸速度，也能解決目前電腦元件使用銅導線所遇到的訊號耗損及熱量問題。


目前業界普遍使用矽晶片來製作運算元件，未來若能將「光傳輸元件」整合到矽晶片上，讓矽晶片同時處理電訊號的運算與光訊號的傳輸，就稱為「矽光子」（Silicon Photonics）技術。

「在晶片運算技術提升的同時，晶片外的傳輸速率也需要同步跟進。」工研院產科國際所產業分析師張筠苡指出，基於這樣的需求，科學家們把腦筋動到傳遞介質，也就是使用低損耗的光子來傳輸訊號。「矽光子是以光子取代電子在矽晶片上傳遞訊號的技術，將多個光學元件整合成單一光子積體電路，並以光波導（waveguide）元件取代銅線作為光子傳輸通道。」

光纖整合技術的演變

在光纖整合的封裝技術演變過程，第一種是基於矽光子學的插拔式光收發模組架構（Pluggable Transceiver Optics;PTO），將光引擎設置在 PCB 載板上。此技術已經投入商用，傳輸速率達800Gbps。

第二種是載板光學系統架構（On-Board Optics;OBO），也是將光引擎設置在 PCB 載板上，可安裝在 ASIC 晶片封裝周圍，能夠支援1.6Tbps傳輸速率，是目前能量產的技術之一。

第三種是共同封裝光學模組架構（Co-Packaged Optics; CPO），將光引擎直接設計在IC載板上，與電子晶片整合在同一封裝中，藉以縮短元件間距來減少傳輸距離，降低光子長距傳輸的訊號損耗，以確保更好的能源效率，傳輸速度可達12.8Tbps。還有一種是光學 I/O 架構，傳輸速率可達12.8Tbps或更高。


日月光投控營運長吳田玉強調，僅僅將 PCB載板轉移到 IC載板配置，就可以節省高達75%的能源。「這就是第一波矽光子技術，我們試圖在第二波切入光學 I/O 架構。」

張筠苡坦言，目前CPO 共同封裝光學技術涉及多種光學訊號的轉換，技術門檻非常高，仍有相當多的挑戰需克服。對業者來說，切入矽光子整合非一蹴可幾，目前已量產技術僅止於載板光學封裝（On-Board Optics）系統架構，未來力求階段性技術突破後，再逐步發展至 CPO 與光學 I/O 架構。


有哪些廠商投入矽光子／CPO

市場以博通（Broadcom）為市場技術領先者，包括台積電、英特爾、日月光都將矽光子整合先進封測視為下一步要開發的關鍵技術。張筠苡舉例，像是台積電使用 3DFabric 技術，將2.5D和3D先進封裝應用於光學 I/O 小晶片的設計和CPO共同封裝光學模組。

先前業界曾傳出台積電將攜手博通與輝達（NVIDIA）開發基於矽光子技術的新產品，投入200名研發人力，預計2024年下半年完成，最快2025年投入量產。

此外，英特爾已投入矽光子技術研發多年，採用混合式雷射技術，耦合效率達90%以上，提供整合矽光解決方案。張筠苡說，該公司也看好 CPO 共同封裝光學技術，預計明年底投入生產，為晶片提供更高頻寬的連接。

日月光則透過在基板上整合 ASIC 和矽光子的2.5D封裝技術，可降低30%至35%功耗，應用在 CPO 等產品。旗下矽品進入博通（Broadcom）矽光子高速網通晶片/模組供應鏈，提供共同封裝光學服務。

張筠苡也提到中小型規模的矽格與旗下子公司台星科，深耕 CPO 技術多年，未來將以台星科負責封裝、矽格協助測試的分工模式合作，CPO 相關業務將挹注其營收。

她強調目前仍是 CPO 產業發展初期，對營收貢獻相當有限。未來仍需視終端採購意願，以及供應鏈整合情況，才能推估產業成長的方向。

矽光子應用有哪些

矽光子應用範圍相當廣泛，包括超大規模資料中心、HPC 高效能運算以及 AI人工智慧和 ML機器學習等先進運算領域；還有光學雷達、生醫感測、智慧醫療 、量子光學、自駕車等都是應用範圍。


預計到了2027年，矽光子產業將蓬勃發展。除了半導體產業之外，還有其他產業也將轉入矽光子領域發展，例如印刷電路板 PCB 產業、光電、通訊產業等等。

在全球發展半導體的眾多國家中，台灣是唯一擁有完整半導體生態系的國家，包含晶圓設計、晶圓製造、封裝等環節，彼此間應該擴大與加速合作，持續扮演讓矽光子技術普及的推手。