CubicPower 晶智能中心 教學機器人 電機資訊學院教材  積體光學簡介-1

編著: 夏肇毅

初版: 2026/8/9

1.1 光子技術

光子技術是積體光學的核心基礎，其主要目的在於利用光子的傳輸、調變、控制與偵測特性，取代部分傳統電子訊號處理方式，以提升資訊傳輸速度、降低能量消耗並突破電子元件微縮所面臨的限制。光子與電子最大的差異在於光子不具有靜止質量，因此能以極高速度在介質中傳播，並且不容易受到電磁干擾影響，使光子技術成為高速通訊、人工智慧運算以及精密感測的重要技術基礎。在積體光學領域中，光子技術主要包含光源產生、光波導傳輸、光調變、光交換、光偵測以及光訊號處理等部分。光源技術負責產生穩定且高品質的光訊號，目前常使用半導體雷射、發光二極體以及量子點光源等元件。半導體光源利用電子與電洞重新結合產生光子，其發光能量與材料能隙相關，可表示為$E=h\nu$，其中$E$代表光子能量，$h$代表普朗克常數，$\nu$代表光頻率。透過控制半導體材料能隙，可以設計不同波長的光源，例如通訊用紅外光雷射與顯示用可見光元件。光波導技術則負責限制光線傳輸方向，使光訊號能在晶片內部進行路由。積體光學中的波導結構通常利用高折射率材料作為核心層，搭配低折射率包覆層，使光能透過全反射方式被限制於狹社區域內傳輸。光波導不僅可以降低光訊號損耗，也能實現微型化光路設計。光調變技術則利用電場、熱效應或材料非線性效應改變光訊號特性，例如改變光強度、相位或偏振狀態，使資訊可以被編碼於光波中。常見調變元件包括電光調變器、馬赫曾德干涉器以及微環共振器。近年來，隨著人工智慧與高速資料中心需求增加，光子技術逐漸由傳統光通訊延伸至光子計算領域。光子計算利用光的平行傳輸特性進行矩陣運算，可有效提升深度學習模型運算效率。光神經網路利用光學元件完成乘加運算，其運算速度與能源效率具有高度潛力。未來光子技術將與半導體製程、量子科技以及人工智慧系統深度整合，形成下一代資訊科技的重要基礎。

1.2 積體架構

積體光學架構是將多種光學元件整合於單一晶片上的技術，其核心概念類似電子積體電路，但處理的對象由電子訊號轉變為光訊號。在傳統光學系統中，透鏡、反射鏡、分光器與偵測器通常以獨立元件組成，造成系統體積大、調整困難且成本較高。積體光學透過半導體製程技術，將光源、波導、調變器、分光元件與光偵測器整合於微小晶片內，使光學系統具備小型化、高可靠度以及大量生產能力。積體光學架構主要由光輸入端、光傳輸路徑、功能元件區以及光輸出端組成。光輸入端通常負責將外部光源耦合進入晶片，例如利用光纖耦合器或光柵耦合器將光訊號導入波導。光傳輸路徑則由多種波導結構構成，例如直線波導、彎曲波導以及交叉波導，使光訊號能依照系統需求進行傳遞。功能元件區包含調變器、開關、濾波器與分波多工元件，可對光訊號進行處理。積體光學架構設計的重要挑戰之一，是如何降低光損耗與提高元件整合密度。光訊號在晶片中傳輸時，會受到材料吸收、散射以及波導彎曲造成的損失，因此需要最佳化材料選擇與結構設計。光損耗通常以分貝表示，其計算方式可表示為$Loss=10\log_{10}\frac{P_{in}}{P_{out}}$，其中$P_{in}$為輸入光功率，$P_{out}$為輸出光功率。積體架構另一項重要技術是異質整合，即將不同材料平台結合，例如矽基材料與氮化鎵、磷化銦等光電材料結合，使晶片同時具有電子處理能力與光子處理能力。矽光子技術即是利用成熟CMOS製程平台製造光子元件，提高產量並降低成本。現代積體光學架構也逐漸朝向系統級整合發展，不僅整合單一元件，而是將完整光子系統、控制電路與人工智慧運算單元共同封裝。此種架構可應用於高速通訊、AI加速器、量子資訊處理與智慧感測系統。未來積體光學架構將持續提升整合密度，使光子晶片成為下一代高效能運算與資訊傳輸的重要平台。

1.3 發展歷程

積體光學的發展歷程反映了光學技術與半導體技術融合的過程。早期光學系統主要依靠大型透鏡、反射鏡與機械調整結構完成光訊號控制，雖然具有良好的光學性能，但存在體積大、成本高以及難以大量製造等問題。隨著半導體產業快速發展，研究人員開始思考是否能將光學元件如同電子元件般整合於晶片中，因此積體光學概念逐漸形成。1960年代雷射技術誕生後，光訊號控制能力大幅提升，促使光通訊與光子元件研究快速發展。1970年代開始，研究人員利用薄膜技術與半導體材料製作光波導，使光可以在晶片內部傳輸。此時積體光學主要應用於光纖通訊中的耦合器、調變器以及分波多工元件。1980年代至1990年代，隨著微影製程進步，光子元件尺寸逐漸縮小，矽基光波導與整合光路技術開始受到重視。此階段的重要發展包括馬赫曾德干涉器、微環共振器以及光開關等元件，使光訊號能在晶片內進行更複雜處理。進入21世紀後，網際網路流量快速增加，資料中心對高速低功耗傳輸需求提升，推動矽光子技術快速發展。矽材料具有成熟CMOS製程優勢，使光子元件可以利用現有半導體設備大量製造。近年來，人工智慧與深度學習應用爆發，使積體光學進一步延伸至光計算領域。傳統電子處理器受到功耗與頻寬限制，而光子元件具有高速並行運算能力，因此成為AI加速的重要方向。除此之外，量子資訊科技也推動積體光學新發展。量子光子晶片利用單光子控制、量子干涉以及糾纏特性，可應用於量子通訊與量子計算。積體光學的發展歷程顯示，其技術演進並非單一領域突破，而是材料科學、半導體製程、光學工程與資訊科技共同推動的結果。未來隨著奈米製程、人工智慧設計工具以及新型光電材料進步，積體光學將朝向更高整合度、更低功耗與更多功能方向發展。

1.4 應用領域

積體光學應用領域涵蓋通訊、計算、感測、醫療、國防與智慧系統等多個方向，是現代資訊科技的重要支柱。最成熟的應用領域為光通訊系統。在高速網路環境中，資料量持續增加，傳統電子傳輸方式受到頻寬與功耗限制，因此利用積體光學元件進行高速光訊號傳輸成為重要解決方案。光子晶片可以整合雷射、調變器、波導與偵測器，使光通訊模組尺寸縮小，同時提升資料傳輸速度。另一重要應用為人工智慧光子運算。深度學習模型需要大量矩陣乘法運算，而電子處理器在執行大規模AI模型時會產生大量能源消耗。積體光學利用光的平行傳輸特性，可以透過光學干涉與衍射方式完成高速運算。例如光神經網路可利用光學矩陣乘法器處理神經網路權重，其運算速度與能源效率具有高度潛力。積體光學也廣泛應用於感測技術。光學感測器具有高靈敏度、不易受電磁干擾以及可遠距量測等優點，因此被應用於環境監測、生醫檢測與工業設備監控。例如利用光波導感測器，可以透過折射率變化偵測生物分子濃度。醫療領域中，積體光學可用於微型化生醫晶片，例如光學檢測平台、微流體分析系統以及可穿戴健康監測裝置。國防與安全領域則利用積體光學發展高精度雷達、光纖陀螺儀以及紅外感測系統，提高設備可靠度與抗干擾能力。隨著量子科技發展，積體光學也成為量子資訊的重要硬體平台。量子光子晶片可以控制單光子傳輸，實現量子通訊與量子計算應用。未來積體光學應用將更加多元，並與人工智慧、物聯網、6G通訊以及智慧製造融合。透過光子技術與電子技術互補，積體光學將成為下一代資訊基礎建設的重要核心。