什麼是矽光子？有何重要性？目前的發展進度如何？

矽光子這項技術對⼀般⼈⽽⾔顯得陌⽣，但卻吸引蘋果、輝達、台積電等巨頭公司近年來陸續投入研發，它就是集 20 世紀兩⼤最重要的發明「矽積體電路」與「半導體雷射」⼤成的「矽光⼦（Silicon Photonics）」。

為何需要矽光子？

帶動矽光⼦技術發展，並且成為新興潛⼒市場的⼀⼤原因，是來⾃光通訊的需求。延續摩爾定律越來越困難，後奈米級別突破面臨製造成本極其高昂、量子隧穿技術難題等重重阻礙。

矽光子學技術是一種將雷射零件等光學元件與矽基集成電路整合在一起的技術，通過光而不是電的信號來實現高速數據傳輸、更長的傳輸距離和低功耗。此外，它還可以提供更低的延遲。

隨著資料傳輸效率與運算效能需求卻仍快速增⻑的情況下，透過半導體製程整合光電元件，不僅能提⾼元件密度、增加整體操作效率、減少耗能，還能達到有效降低成本的效益。

隨著 AI、通訊、⾃駕⾞等領域對海量運算的需求漸增，在摩爾定律的前提下，積體電路的技術演進已⾯臨物理極限，該如何突破？那就是⾛向光，⽬前許多國內外廠商正積極布局矽光⼦技術，當電⼦結合光⼦，不只解決原本訊號傳輸的耗損問題，甚⾄視爲開啟摩爾定律新篇章、顛覆未來世界的關鍵技術。

⾯對電訊號必須⾛向光訊號，才能有效地將驚⼈⼤量資料傳輸效率顯著提升的重
⼤課題，矽光⼦無異扮演了關鍵的⾓⾊。

什麼是矽光⼦？

矽光⼦( Silicon Photonics )是指藉由將「電訊號」改為「光訊號」來傳遞的積體化晶片，以同時解決之前所⾔的提⾼傳輸距離、增加資料頻寬與降低單位能耗三項⽬的。

因為光本⾝無電荷、無質量，同⼀通道內訊號也不相互⼲擾，損耗/熱量⽣成低，遠比基於銅導線傳導的技術來的優越。⼀般光學通訊傳輸波⻑為 1,310~1,550nm之間，⽽矽不會吸收此段波⻑；⼜所使⽤的 SOI ( Silicon On Insulator )技術與傳統矽製程亦⾼度相容，可以有效降低成本。

積體電路（IC）將上億個電晶體微縮在⼀片晶片上，進⾏各種複雜的運算。矽光⼦則是積體「光」路，把能導光的線路全數集中。簡單來說，是在矽的平台上，將晶片中的「電訊號」轉成「光訊號」，進⾏電與光訊號的傳導。

矽光⼦市場

SEMI

國際半導體產業協會（SEMI）預測數據顯示，到2030年，全球矽光子學半導體市場規模預計將達到78.6億美元，預計複合年增長率將達到25.7%，從2022年的僅僅12.6億美元規模大幅增加，具極⼤的成長潛⼒。

Mordor Intelligence

知名研究機構Mordor Intelligence預測數據則較為保守，2023年矽光子市場規模預計為14.9億美元，該機構預計到2028年將達到45.4億美元，在預測期內（2023-2028年）複合年增長率為24.98%。

Yole

根據市調機構 Yole 的預測，矽光⼦市場（以裸晶計算）規模將從 2021 年的 1.52 億美元，在 2027 年攀升⾄9.27 億美元，對於許多已經進入發展⾼原期的領域⽽⾔，矽光⼦市場才正要起⾶，其年複合成⻑率達到 36%。

Markets and Markets

在 2015年，依據 Markets and Markets 的研究，全球矽光⼦市場仍處於萌芽階段，規模約 2.176億美元；但在 2022年，該市場可以突破 10億美元的⾨檻，年複合成⻑率達 25.7%。若以區域來劃分，由於全球主要 CSP 資料中⼼仍集中於北美市場，該市場占比 35.7%；亞太區為第⼆集中區域，占比 31.5%。

矽光⼦的技術挑戰和發展的瓶頸

矽光⼦在「模組整合」的主要挑戰不少；⾸先，矽光⼦裝置本⾝的成本⼀定要有競爭⼒，否則沒有跟光通訊裝置共存的空間，也無法顯出矽製程的優勢；再者，波導等光學元件的尺⼨通常是固定的，但矽基元件⼀直在微縮中，兩者內部尺⼨有數⼗倍以上的差距，結合不易

矽光⼦在元件整合上仍有諸多挑戰，介⾯溝通語⾔問題，舉例來說，半導體廠商雖然了解電的製程，但因為光⼦元件效能對溫度和路徑都很敏感，製程上線寬與線距對光訊號影響相當⼤，若要開發更⾼效的光⼦元件結構和製程，需要⼀個溝通平台，提供設計規格、材料、參數等，進⾏光電廠商的資訊語⾔整合。

再者，短期矽光⼦⽤於利基型市場，各類型的封裝製程與材料標準也還在陸續建立中，⼤多提供矽光晶片下線的晶圓代⼯廠都屬於客製化服務，或者不⽅便提供給他廠使⽤，缺乏統⼀平台恐阻礙矽光⼦技術的發展。除了以上提到的缺乏共通平台外，⾼成本製造、光源集成、元件效能、材料匹配、熱效應和可靠性等也是矽光⼦製程瓶頸之⼀。隨著技術的不斷進步和創新，預計這些瓶頸在未來數年到⼗年內有望得到突破。

矽光⼦的光源形式

利⽤CMOS 標準製程技術在 SOI 基板上製作矽基積體光元件的技術⽬前已處於成熟階段，但唯⼀雷射發光源部分仍無法採⽤矽基板直接磊晶⽣成，由於矽本⾝屬於間接能隙材料，無法發光，所以光源發展來⾃於外界，必須藉由封裝⽅式將光源與積體電路進⾏組裝整合，因此，矽光⼦技術的光電整合效益尚未完整，雷射光源成為⽬前最⼤的挑戰之⼀。

雷射與矽光積體電路的整合⽅式多樣，依據發展主要有三種⽅式構成光源。其中的覆晶技術( Flip Chip )及晶圓接合( Wafer Bonding )已經在產線上使⽤，屬於較為成熟的製程技術，但直接磊晶在矽光⼦積體電路的⽅式為彈性最⾼與成本潛⼒最低的技術⽅式，因此學術與研發仍朝此⽅向努⼒。

應用領域

資料傳輸

而矽光子是用光來傳輸，正好可以解決以下的兩大問題。倘若將現行的資料傳輸由電訊號改由矽光子傳輸光訊號，不但能大幅提升傳輸效率也會大幅降低傳輸的能耗，進一步改善耗熱問題。

• 第一是當前傳輸速度不夠快。總使晶片運算力提高，但傳輸速度跟不上運算速度時，就會使得資料傳輸出現延遲或者塞車的情況，如此一來無論算力有多塊都會受限。
• 第二是資料在伺服器間傳輸時，會有資料傳輸帶來的損耗，這就會有著散熱與能源耗損的問題。倘若AI建置需求增加，勢必就會有著更多伺服器，那傳輸損耗所伴隨的散熱、能源損失就會是個相當大的問題。

非侵入性⾎糖偵測

在穿戴型裝置上搭載⾎糖偵測功能是各⼤科技公司正在努⼒的⽬標，蘋果正是其中的代表。為了開發這項功能，蘋果曾與英國矽光⼦新創公司Rockley Photonics 合作開發，後來歷經終⽌合作關係，Rockley Photonics申請破產後，蘋果傳出在非侵入性⾎糖偵測功能上取得⼤進展。

根據 Bloomberg 的報導，蘋果採⽤的正是矽光⼦技術，技術原理為透過雷射發出特定波⻑的光，照射到⽪膚下組織被葡萄糖吸收的區域，並且反射回感測器，顯⽰出葡萄糖的濃度。⽽此矽光⼦晶片與感測器則被報導將委由台積電製造。

光達

從感測的應⽤來看，矽光⼦在⾃駕⾞與無⼈機應⽤的領域也同樣受到關注。光達 (LiDAR) 的⾼感測精準度被視作⾃駕⾞發展的關鍵，但⽬前的發展卻仍受限於成本⾼昂與技術複雜程度，未來若應⽤矽光⼦技術，預期將可以有效縮⼩搭載在電動⾞上的元件體積並且降低成本。

光纖陀螺儀

另外則是運⽤無⼈機的⾼階陀螺儀，過往因為體積龐⼤加上成本昂貴，沒有辦法搭載在⼀般商⽤無⼈機上，若透過採⽤矽光⼦技術，光纖陀螺儀將可望⼤幅降低成本與體積，未來可望在消費型無⼈機裝置上看到光纖陀螺儀的採⽤。

光⼦運算

此外，量⼦計算和通信的發展也可望由矽光⼦推動，從 Yole 的統計來看，矽光⼦的應⽤領域中，光⼦運算 (photonic processing) 將從2021 年幾乎不存在，到 2027 年竄升⾄矽光⼦第⼆⼤的應⽤領域，和消費者健康相關的市場則會躍升⾄第三⼤應⽤領域，其他具強⼒成⻑動能的還包括⽬前台廠積極開發的 co-packaged engines、免疫分析(immunoassay)、光互聯 (optical interconnects)等領域。

廠商和各國的動向

美國

由 IBM 帶頭，IBM 早在 20 年前就積極投入。爾後不少企業、研究單位、學術界紛紛投入 ，其中，Intel 也早已投資這項技術超過10年的時間，Intel是最快推出量產產品，市占率甚⾄達 5 成的龍頭企業。

2024年6月的光纖通訊會議（OFC）上，英特爾的整合式光子解決方案（IPS）小組展示了業界最先進的、也是首次完全整合的光運算互連（OCI）晶片組，這款首款OCI晶片支援64個獨立通道，每個通道能夠以32千兆位元/秒（Gbps）的速率傳輸數據，並在長達100米的光纖上高效傳輸數據，有望滿足AI基礎設施對更高頻寬、更低功耗和更長傳輸距離日益增長的需求。它增強了叢集中CPU與GPU之間的連接，並支援創新的運算架構，如一致性記憶體擴展和資源解耦。

⽽Leti、Imec、Ime 則是深耕這個領域許久的研究單位；在設計端則有被輝達併購的 Mellanox、被思科收購的Luxtera與Acacia、Finisar、Arista、博通（Broadcom）、邁威爾、Ranovus、超微等公司都已經投入研發。

晶圓製造商

在晶圓製造的部分，以格芯的投入最早，台積電則在近年來積極布局相關技術，2017 年與 Luxtera 共同開發新世代的矽光⼦技術，爾後也在封裝段也布有 COUPE（compact universal photonic engine，緊湊型通⽤光⼦引擎）矽光⼦晶片異構整合的技術。

業界傳出台積電正與⼤客⼾博通與輝達開發基於矽光⼦技術的新產品，最快 2025 年會進入量產。

台灣

SEMI國際半導體產業協會2024年9月3⽇於SEMICON Taiwan 2024國際半導體展矽光⼦國際論壇宣布，在經濟部的指導並於SEMI平台上，台積電與⽇⽉光號召⼯研院、波若威、上詮、鴻海、聯發科、廣達、汎銓及辛耘等超過30家共同參與，建構全台最完整的矽光⼦聚落⽣態系－SEMI矽光⼦產業聯盟，打造下⼀世代關鍵技術。

中國大陸

中國更是將它視做半導體發展突圍的武器，⽽以⾊列也把它列為其國家科技發展重要項⽬之⼀。對於矽光⼦產業的投入也不容⼩覷，

因為矽光⼦晶片製造可以沿⽤半導體既有⼗分成熟的 CMOS 製程與機台，且主流製程落在 45 到90 奈米，這對擅⻑IC 設計但製程相對落後的中國半導體產業⽽⾔，反⽽視之為其推動區域半導體內循環策略的最佳致勝捷徑。就以在全球進⾏併購的華為為例，其併購標的包含了英國集成光⼦研究中⼼CIP Technologies、比利時矽光技術開發商Caliopa。中國政府甚⾄在武漢設立了東湖⾼新區光電園，全⼒打造矽光⼦相關技術。

封裝技術

矽光子先進封裝技術

目前主流的矽光子先進封裝技術包括以下幾種：

• 垂直集成封裝（VerticalIntegrationPackaging）
• 共封裝光學（Co-PackagedOptics，CPO）
• 光纖封裝（FiberAttachPackaging）
• 波導板封裝（Waveguide-Based Packaging）
• 玻璃基板封裝（GlassSubstratePackaging）

CPO

其中，CPO技術全球芯片製造商集中研究的封裝技術領域，這是一種將光學和電子組件共同封裝在同一封裝中的高度集成方法。這有助於減小光學和電子之間的距離，提高數據中心互連的能效和性能。有業內分析人士表示，隨著台積電、英特爾、輝達、博通等芯片巨頭都陸續開展矽光子晶片，以及至關重要的共封裝光學（CPO）技術，預計最快CPO市場2024年將出現爆發式增長。

⽽封測⼤廠⽇⽉光也在相關技術布局了 20年之後，在已經正式推出 CPO 裝技術，並且成功打入博通的矽光⼦產品供應鏈。

矽光子先進封裝技術的市場

知名研究機構Sphericalinsights公佈的研究報告顯示，預計2022年至2032年全球共封裝光學市場的複合年增長率為68.9%，預計到2032年全球共封裝光學市場預計將達到28.4億美元，該機構測算的2022年市場僅為1500萬美元。

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