俗話說：「科技始終來自於人性」，對資料中心和網路系統的爆發式需求正足以印證這一點。資料量越大，傳輸速度就要更快，這就需要提高處理能力、降低運算與傳輸時消耗的電力，進而降低成本，而上述的要求，矽光子技術都有機會做到。由於矽光子能夠實現高速、大容量、低功耗的光傳輸，將光引入AI運算中，達到提高處理能力和降低功耗的目的，使得矽光子成為明日之星。矽光子如何能夠實現這一目標？簡言之，光子電路必須與電子電路整合。

什麼是矽光子？
        矽光子是利用矽半導體製造技術在矽晶圓上建構大規模光子電路的技術。該技術利用光的特性，實現高速、大容量、低功耗的資料傳輸。隨著社會活動的數位化，遠距工作變得普遍，企業越來越多地將其供應鏈互連，以及資訊處理對於自動駕駛和娛樂來說非常重要，也促使資料中心和網路系統的需求不斷增加，隨著資料量的增加，功耗也隨之增加。

        然而，資料中心和網路系統本身所使用的電子電路的效能已達到極限，很難再進一步改善。如果要連接多台資料設備以獲得更高的處理能力，那麼在資料設備之間、設備內部的運算電路之間，以及運算電路與記憶體之間都要提高處理能力與降低功耗，其要求超過當前電線所能傳輸的能力。

        因此，近年來，人們致力於透過在資料設備之間以及設備內部的運算電路中引入使用能夠高速、大容量數據傳輸的光子電路來進行傳輸處理，為的就是能夠提高處理能力並降低功耗。然而，傳統的光子電路是由不同材料的單獨模組所構成，因此難以像是積體電路一樣小型化，同時因為單獨模組消耗大量功率，導致成本高。而矽光子技術將可以解決這個問題，利用基於現有矽半導體製造技術，將由各種模組組成的光子電路，以緊湊且低成本的方式整合在矽晶圓上，如圖1所示。
        傳統的光電路使用石英玻璃作為光配線或光波導，但現在透過使用具有更高折射率的矽，如圖2所示，使小型化成為可能。此外，矽晶圓可用於整合由不同材料製成的模組，並透過已經廣泛使用的高性能半導體製造技術來降低製造成本。由於矽光子是基於現有的半導體製造技術，因此電子學和光子學的融合將成為可能。
 

矽光子邁向商業化
        由上可知，矽光子最直接也是未來最大的應用市場會是資料中心，用於連接伺服器，與傳統技術相比，其功耗顯著降低。隨著全球對大容量、超高速數據通訊需求的增加，矽光子市場預計將會持續擴大。預計未來幾年將從數十億美元成長到100億美元。未來，矽光子不僅將部署在LiDAR和Data center領域，還將部署在醫療、生物應用和行動通訊應用等其他領域，其中像是醫療的部分，個人健康感測的產品會率先應用到矽光子的技術，其市場也會有驚人的成長，如圖3所示。
 
產業巨擘卡位矽光子
        看好矽光子所帶來的商機，英特爾、思科、富士通，以及II-VI(Coherent)等公司競相投入採用光模組廠商開發資料中心與下一代共同封裝光學元件(CPO)光收發器。例如，採用光網路論壇OIF最新標準400G-ZR，以400Gbps/120km互連資料中心，其藉由多個光調變器進行多工使用(DP-16QAM)。隨著短距離速度的提高，PCB內部的電線傳輸變得越來越困難，因此使用光纖來傳輸靠近LSI(例如開關）的訊號，並在與光訊號相同的封裝內進行光電(OE)轉換。在這種情況下，矽光子有助於OE/EO轉換電路的小型化。

以下將介紹一些矽光子領導廠商。

 △ 英特爾
英特爾是矽光子技術的先驅之一。該公司在市場推出一款用於資料中心的100Gbps光收發器，該收發器採用矽光子技術製造。英特爾的矽光子產品提供高資料傳輸速率和低功耗，有助於提高資料中心頻寬和能源效率。自上市至2023年已出貨800萬套模組。

 △ 思科
思科是領先的網路設備製造商，開發利用矽光子技術的產品。該公司專注於使用矽光子學的光學互連技術，可實現資料中心伺服器之間的高速資料傳輸，有助於提高資料中心效能並降低營運成本。該公司併購了Luxtera，後者開發了世界上第一個採用矽光子技術的商用光收發器，是達成資料中心高速通訊的重要推手。

 △ Coherent
Coherent(被II-VI併購，新公司沿用Coherent名稱)於OFC 2024上展示其用於下一代光通訊網路的新產品與技術，其中包括每通道 200G線性可插拔光學元件，適用於800G，還有800G ZR/OpenZR+ QSFP-DD-DCO，透過450公里光纖的光網路、在資料中心路由器中，以及在展覽會上進行400G與800G 互通性測試。

 △ 富士通
富士通積極加入NTT的IOWN聯盟，所推出的「1FINITY」光傳輸系統符合IOWN全球開放APN論壇要求的規格，可以提供最佳解決方案，例如每光波1.2 Tbps的世界級大容量傳輸和800 Gbps的長距離傳輸。這款光傳輸設備也採用液體冷卻技術，使整個系統的二氧化碳排放量比傳統產品減少60%，這也是全球首創。
 
表1 矽光子廠商的光收發器產品比較

廠商	產品	規格
英特爾	400G DR4 QSFP-DD	400G 光收發器，符合IEEE 400GBASE-DR4光介面標準及4個100G Lambda MSA 100G FR光介面；用於400GbE 或 4x100GbE分支應用的規範，傳輸距離可達2 km
思科(併購Luxtera)	QSFP-100G-ZR4-S收發器	思科憑藉其在矽光子光子積體電路（PIC）領域的豐富經驗與Accelink合作共同開發1.6T OSFP-XD 矽光子收發器，展現其創新水準與技術能力。
Coherent(被II-VI併購，新公司沿用Coherent名稱)	400G光收發器	•該公司的VCSEL雷射模組可用於每通道200 Gbps 的光傳輸，為未來的1.6Tbps 收發器提供動力。 •I-Temp 100G ZR QSFP28-DCO 模組是業界首款100G ZR QSFP28數位同調光學（DCO）收發器，並結合高效的矽光子光學前端和功率優化的可調雷射。 •高功率非制冷泵浦雷射模組，可提供高達海底 1000 mW 的輸出功率，為陸地應用提供高達 2x700 mW 的輸出功率。
富士通	1FINITY T900/T950光傳輸系統	•高位元傳輸率與補償技術，實現高OSNR和長距離傳輸 •節省空間和低功耗，液冷技術 •最大傳輸容量1.2Tbps/Lambda，14.4Tbps/blade

下一個市場寵兒會在哪？
        矽光子的應用不僅限於光收發器，其他例如，探索自動駕駛所需的光達的應用，還有像是IOWN的光電融合技術、光神經網路和光量子電腦為中心等。

 △ 光達應用
        2021年初在全球展會CES 2021上，英特爾推動了矽光子在車載光達上的應用，並公佈了其原型機。目前尚不清楚它在多大程度上作為光達發揮作用，目標是在2025年將其商業化。

        目前的機械旋轉光達與正在投入實用的固態光達的主要區別在於，它採用微波雷達中使用的FMCW（調頻連續波）方法，還可以使用都普勒雷達來測量速度。換句話說，使用波長可調LD（例如，可以根據溫度變化掃描波長）作為光源。光被矽光子分離器分離並傳播到許多平行的矽波導中。每個波導中光的相位通過加熱波導來控制，並且通過發射到空間的光的干涉來執行水平掃描，垂直分支是透過耦合器實現，使該耦合器具有切入光波導的光柵。LD和控制電路也安裝在矽光子封裝中，整個元件只有手掌大小。據說它比傳統類型更昂貴，但更能抵抗天氣和干擾。

 △ 在IOWN（光電融合）的應用
        2019年6月，NTT宣布推出包括終端在內的網路和資訊處理系統，利用以光學技術為中心的創新技術，提供超越傳統基礎設施限制的高速、大容量通訊以及海量運算資源宣布了IOWN概念。接著2019年10月，NTT、英特爾、Sony成立了IOWN Global Forum，許多國內外企業參與其中。據了解將基於光電融合技術建構全光子網路，它的目標不僅是通訊基礎設施設備，還包括資料中心和終端，並試圖從GAFA手中搶下網路主導權。

        光電融合是將光學與光的優點和電與電的優點實現起來，並將它們結合在同一個封裝或晶片中。為此，一項重大突破性技術是使用InP光子IC實現極低功耗的光邏輯電路。然而，由於利用光學技術很難實現記憶體，因此將其留給電子技術（矽積體電路）。

 △ 神經網路中的應用
        邏輯電路可以在矽光子波導的結合點處使用光干涉而不是光開關來實現。如果兩盞燈同相，它們就會相互增強，但如果異相，它們就會相互抵消，總輸出量將為0。透過使用溫度等控制矽波導中的光的相位，可以建構數位邏輯電路。與矽積體電路中的邏輯閘不同，閘操作不會產生延遲，並且可以根據光在光波導中傳播的速度進行運算，運算過程就像河流從上游流向下游，反覆匯合和分叉一樣。這是一個很好的匹配，因為其架構類似於神經網路。

        麻省理工學院的學生Yichen Shen 於 2017 年使用矽光子製作了一個神經網路原型。這是一種使用定向耦合器和相位器執行乘積和運算的光學加速器，並與電子電路結合使用，進行了原音辨識演示，獲得了90% 正確答案率的結果，與64位MPU達到的 91.7% 正確答案率相當。並於2017 年創立了新創公司 Lightelligence，籌集了 3,600 萬美元的風險投資，並一直在以極快的速度發展業務，並於 2019 年發布了第一個原型。該公司在2023年發表光子處理器Hummingbird，採用先進的垂直堆疊封裝技術，將光子晶片和電子晶片整合到一個封裝中，作為資料中心和其他高效能應用的通訊網路。

 △ 量子電腦中的應用
        目前用矽光子製成的量子電腦已經投入使用，加拿大新創公司 Xanadu 已經籌集了超過 1 億美元的資金，用於開發基於使用矽光子技術的通用量子電腦。第一代（8個量子位元）已開始在雲端提供服務。與Google和IBM正在積極開發的超導類型不同，它的一大特點是在室溫下工作。將與比利時著名研究機構 IMEC 合作，該機構可以在300毫米晶圓生產線上大量生產矽光子，並將繼續開發以實現100萬個量子位元。

真的了解矽光子嗎？
        由以上的敘述，我們提供了一個粗淺的介紹，讓讀者能夠一窺矽光子的堂奧，這樣就算了解矽光子了嗎？當然不是，但是我們希望藉由我們的推廣，能夠為產業做更多的事情。因此，光電協進會與國立臺灣科技大學異質整合矽光電晶片研發中心(HiSiPIC)日前聯合成立「國際矽光子異質整合聯盟（HiSPA）」，期望以臺科大異質整合矽光電晶片研發中心整合跨校實驗室團隊的研究與服務能量，以及PIDA長期在光電產業人才培育、產學研交流、跨域合作的推動服務經驗，搭建矽光異質整合產學合作平台服務窗口，也期待未來產官學研都能共襄盛舉，共創台灣矽光子大未來。