CubicPower 晶智能中心 教學機器人 電機資訊學院教材  矽光子簡介-1

編著: 夏肇毅

初版: 2026/8/9

1.1 技術背景

矽光子是以矽或矽基材料平台製作光學元件，並進一步將光訊號傳輸、調變、偵測與電子控制功能整合於晶片或封裝系統中的技術。其形成背景與現代資訊系統對高頻寬、低延遲與高能源效率的需求密切相關。傳統電子互連主要依靠金屬導線傳送電訊號，當處理器、記憶體與交換設備的資料率持續提高時，導線的電阻、寄生電容、訊號衰減與串擾會逐漸成為限制系統效能的重要因素。光訊號則可以利用光波的頻率、相位、振幅或偏振等特性承載資訊，在適當的波導結構中傳遞時具有較高的頻寬潛力。因此，矽光子技術的核心價值並非單純以光取代電，而是利用半導體製程建立可大量製造的光學平台，使光學功能能夠像電子電路一樣進行微縮、整合與量產。矽材料具有成熟的晶圓製程基礎，能夠與既有互補式金屬氧化物半導體製程形成良好協同，因此可降低光子元件進入大規模製造時的成本障礙。典型矽光子平台會包含矽光波導、分光與合光結構、調變器、光偵測器、光纖耦合結構以及電子驅動電路。系統設計時必須同時考慮光學損耗、元件尺寸、熱效應、製程偏差與電子驅動能力。對於資料中心、人工智慧運算與高速網路而言，矽光子也逐漸由傳統通訊模組延伸至板級、封裝級甚至晶片級互連。其工程問題因此從單一光學元件設計擴展到材料、製程、封裝、驅動、測試與系統架構的共同協調。若以鏈路能量效率表示，可用$E_{\mathrm{bit}}=\frac{P}{R}$描述每傳送一個位元所需的平均能量，其中$P$代表系統功耗，$R$代表資料速率。當資料速率增加而功耗沒有同比增加時，單位位元能耗即可降低，這也是矽光子受到高速運算與通訊產業重視的重要原因。

1.2 發展歷程

矽光子技術的發展是一個由光學元件微型化、半導體製程成熟、光電整合以及高速互連需求共同推動的長期過程。早期光通訊系統主要採用分立式雷射、透鏡、光纖、調變器與接收器，各元件依靠封裝、連接器或光纖彼此連結。這種架構具有成熟度高與設計彈性大的優點，但元件數量增加後，光路對準、封裝尺寸、製造成本與可靠度會變得更加複雜。隨著微電子製程快速發展，研究者開始探索是否能利用半導體材料與微影技術製作微型光學結構，進而形成以晶圓為基礎的光子製造模式。矽材料具有高折射率與良好的微加工特性，因此適合形成尺寸很小的光波導。進入矽光子發展階段後，研究重點逐漸由單一波導製作延伸到調變器、耦合器、光偵測器及多元件整合，使晶片能夠完成更完整的光訊號處理。另一方面，資料中心網路的交換容量與伺服器互連頻寬快速提升，使光互連逐漸由長距離電信網路延伸至短距離資料傳輸。這種需求促使矽光子從實驗室元件研究走向標準化模組與商用系統。後續發展又進一步結合異質整合技術，將矽基光子元件與其他半導體材料製成的光源、偵測元件或電子電路進行整合，以克服單一矽材料在發光能力方面的限制。近年的發展方向則更加重視共同封裝光學、晶片間光互連、高速收發模組與人工智慧運算平台。從技術演進角度來看，矽光子已由「利用矽製作光學元件」逐漸轉向「利用半導體製程建立完整光電系統平台」。其發展也呈現由單元件、元件陣列、光子積體電路，再到封裝與系統級整合的趨勢。每一階段都需要解決新的工程問題，例如早期著重於波導損耗與耦合效率，後期則更加重視熱管理、製程良率、測試自動化、驅動電路以及大量部署後的可靠度。因此，理解發展歷程有助於掌握矽光子目前所處的技術成熟階段，也能協助分析下一階段由資料中心互連向運算、感測與異質系統延伸的可能路徑。

1.3 基本架構

矽光子的基本架構可以視為由光源、光輸入與耦合、光波導、光訊號處理元件、光偵測器以及電子控制電路共同構成的光電系統。實際設計時並非所有元件都必須直接製作在同一材料或同一晶片上，而是依照功能、材料特性、製程能力與封裝方式進行分工。光源負責提供具有特定波長與功率的光訊號，常需要利用其他半導體材料形成，再透過耦合結構導入矽光子平台。光波導則負責在晶片內限制與引導光場，使光能沿預定路徑傳輸。其基本原理與折射率差有關，當核心區域與包覆區域具有適當折射率關係時，光場可以被限制在波導附近。波導設計除了考慮幾何尺寸，也必須考慮工作波長、模式分布、彎曲半徑與製程誤差。調變器是另一個重要區塊，其作用是將電子資料轉換成光訊號中的可辨識變化，例如利用電場改變光的相位或強度。光訊號經過波導與其他被動元件傳輸後，最終由光偵測器轉換回電訊號，再交由跨阻放大器、時脈資料回復電路或數位電路處理。若系統採用多波長傳輸，還需要加入分波器與合波器，使不同波長能夠共享同一光路。整體架構可以用「電訊號輸入、電光轉換、晶片內光傳輸、光學處理、光電轉換、電子輸出」的流程理解。設計時的重要性能指標包括插入損耗、消光比、調變效率、接收靈敏度、串擾、頻寬與功耗。對於鏈路而言，若輸入光功率為$P_{\mathrm{in}}$，各元件產生的線性功率傳輸比例為$\eta_i$，則輸出功率可表示為$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{in}}\prod_i\eta_i$。若以分貝表示總損耗，則可將各級損耗相加，因此系統架構設計必須避免不必要的光路轉換與過多串接元件。另一方面，電子控制與光子元件之間的介面也是基本架構的重要部分，因為高速資料傳輸不只取決於光波導本身，還受到驅動電壓、寄生效應、封裝走線與時序控制影響。完整的矽光子架構因此是一個光學、電子、熱與機械共同作用的系統，而不是單純的光學晶片。

1.4 應用領域

矽光子的應用領域已由傳統光纖通訊逐步擴展到資料中心、人工智慧運算、高效能計算、光互連、感測與新型光電系統。最成熟的應用之一是高速光收發模組。資料中心內部具有大量伺服器、交換器與儲存設備，設備之間需要持續交換大量資料。當電氣互連受到傳輸距離、功耗與訊號完整性限制時，可利用矽光子將高速電訊號轉換為光訊號，再透過光纖完成設備之間的資料傳輸。相較於完全依靠電子方式延伸高速連接，光互連具有頻寬擴展與距離適應方面的優勢，因此適合高密度資料中心環境。第二類應用是高效能運算與人工智慧系統。人工智慧模型需要大量處理器與記憶體之間的資料交換，若資料搬移所消耗的能源過高，即使計算核心本身速度提升，也可能受到整體系統效率限制。矽光子可被用於處理器之間、加速器之間或封裝內部的高速互連，降低部分資料傳輸瓶頸。第三類應用是光子感測。利用光波導、干涉結構與微型光學元件，可以感測環境折射率、溫度、壓力或化學物質變化，並將感測訊號轉換成可由電子電路分析的資料。第四類應用則是光計算與訊號處理，例如利用光的並行傳播特性執行矩陣運算、類比運算或高速訊號處理，雖然相關技術仍存在精度、雜訊、校準與可程式化等挑戰，但具有研究與產業發展潛力。此外，矽光子也能與雷射雷達、醫療檢測、光譜分析及其他精密光學系統結合。不同應用對元件的要求並不相同，例如資料中心重視高速率、低功耗與量產成本，感測系統則更重視靈敏度、穩定度與環境適應性，光計算則關心運算吞吐量、精度與可重組性。因此，不能以單一性能指標判斷矽光子的應用價值，而應從系統需求分析光路、電子電路、封裝與軟體控制的整體協同。若資料傳輸吞吐量以$T=N\times R$估算，其中$N$為並行通道數，$R$為單通道資料率，則提升應用效能可以從增加通道、提高單通道速率或改善編碼與調變效率等方向進行。未來矽光子的應用將更加強調與運算、網路及封裝技術的共同設計。