矽光子技術：開啟未來高速光通訊的大門

矽光子技術：開啟未來高速光通訊的大門

郭浩中 教授團隊

陽明交通大學 光電工程學系

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一、前言

隨著資料中心的擴充套件、人工智慧的發展以及5G和6G通訊技術的興起，全球對高速資料傳輸的需求日益增加。傳統的電子元件在速度和能效上已接近極限，因此「矽光子技術」(Silicon Photonics) 成為業界關注的焦點。矽光子利用矽材料來製造光學元件，使其能與現有的半導體工藝相容，提供高效、低功耗且可大規模生產的光學解決方案。

 

矽光子應用領域涵蓋了資料中心、電信、LiDAR、自動駕駛、醫學影像、量子計算和高效能運算等領域。這些應用均與中央矽光子晶片相連，象徵著其在不同技術中的核心作用。

二、矽光子概要

為什麼要用矽來做光通訊傳輸而不用其他材料呢？

圖二列出不同材料用於光通訊傳輸來與矽比較，以III-IV族材料InP為例，優點在於可直接整合光源而不用額外做外部光源耦合與封裝，但缺點為此材料目前製程為4 吋以下工藝，合格率低成本高；若採用玻璃製作，優點為成本低、材料取得容易，缺點為工藝合格率不穩定、工藝技術尚待開發中；最後是高分子材料Polymer，優點為成本低工藝快速，缺點為可靠度差、質量管控不易，容易產生形變高頻傳輸下有影響。

圖2. 光通訊波導傳輸材料比較

矽光子技術是指利用矽作為基礎材料來製造光學元件，實現光訊號的傳輸、調製、檢測和處理。與傳統電子訊號不同，光訊號可以以更高的速度傳輸資料，同時降低功耗，這使得矽光子在高效能運算和高速網路中扮演關鍵角色。

矽光子技術的核心優勢包括：

• 高速傳輸：光訊號的頻寬遠大於電子訊號，可達數百 GHz 甚至更高。
• 低能耗：光訊號傳輸時的能量損耗較低，相較於電子傳輸可降低發熱與功耗。
• 高整合性：矽光子技術能與現有的 CMOS 工藝相容，實現電子與光子元件的單晶片整合。
• 可擴充套件性：可透過現有半導體工藝大規模製造，降低生產成本。

三、矽光子的關鍵技術

矽光子系統的核心元件包括主動元件（如雷射、調變器、探測器）和被動元件（如波導、耦合器、分束器），其中波導元件則負責光訊號的傳輸與操控。核心技術說明如下：

• 主動元件:
  • 雷射光源: 通常是波長為O-band與C-band的高功率(>40mW) Distributed Feedback Laser，為側向出光光源。
  • 光偵測器: Ge摻雜光偵測器，通常在接收端Rx，接收輸出端Tx的光訊號後轉成光電流後經過TIA等電晶片處理成訊號。
  • 光調製器:透過RF通電控制使得調製器產生變化讓光產生開關效果，當速度提高時產生高頻數字訊號。

• 被動元件:
  • Mux/Demux: 通常為中長距離傳輸，做分波多工與混光用途，主要用於多模的不同波長光的處理。
  • Coupling I/O: 耦光，將外部光源匯入矽光元件，有分為Edge coupling、Grating coupling、及V-groove coupling。
  • Optical filter: 光濾波器，可用於醫療檢測用途。
  • Interferometer/Switch: 做光的相位調製，調整光方向。
  • Splitter/Combiner:主要用於單模光訊號分成多路輸出或多路光整並，光功率分配，方向調整。
  • Polarization Diversity: 偏振控制，TE（橫向電場）與 TM（橫向磁場）模式的傳播特性不同，可能導致某些器件僅適用於特定偏振態，如 MZI 調變器與光耦合器主要支援 TE 模式，而 TM 模式則可能無法有效傳輸。

• 波導: 光於矽光晶片中主要走的路徑，簡稱光路，相當於IC中的電路功能。

圖3.矽光子部件組成分為主動結構、被動結構與波導結構 (Intel)

2.5D封裝是一種介於傳統2D封裝（平面電路板上的晶片）與3D封裝（多層晶片堆疊）之間的技術。它主要透過矽中介層（Interposer），將多個晶片（如處理器、記憶體等）放置在同一平面上，並透過矽穿孔（TSV, Through-Silicon Via）提升效能。結合矽光子元件製作光電整合模組將部分高速電訊號改用光訊號傳輸減少損耗，並達到高速傳輸。

圖4. 2.5D封裝系統中基本光學元件，包括雷射光源、調製器、解調器、微環諧振器和光波導。

1. 光調製技術

光調製是矽光子技術中的核心功能之一，它決定了如何有效地將電子訊號轉換為光訊號。常見的光調製技術包括：

馬赫-曾德爾調製器 (MZM, Mach-Zehnder Modulator)

• 主要由兩條波導，一條通電壓後折射率改變，使得光波相位改變，當兩束光結合後，透過產生建設性干涉與破壞性干涉造成光透過與吸收效果，進而調製光訊號。
• 優勢：高線性度、大頻寬，適合高速傳輸。
• 挑戰：佔用較大面積，功耗較高。

微環/微碟共振調製器 (MRM/MDM, Microring/Microdisk Modulators)

 

• 利用微型環狀共振腔來調製光訊號，尺寸小且功效高。利用RF訊號調製控制波導的光進入Ring中吸收與透過產生訊號調製。
• 優勢：低功耗、可大規模整合。
• 挑戰：對工藝變異與溫度變化較敏感。

環形共振馬赫-曾德爾調製器 (RAMZM, Ring-Assisted MZM)

• 結合環共振器與MZM的優勢，提升調製效能。微環共振腔可在較小電場變化下產生較大的相位變化，因此 RA-MZM 相比傳統 MZI 可大幅降低驅動電壓，從而降低功耗。
• 優勢：提升調製深度、降低插入損耗。
• 挑戰：工藝與設計更為複雜。

 

電吸收調製器 (EAM, Electro-Absorption Modulator)

• 透過量子受限史塔克效應（QCSE, Quantum Confined Stark Effect），在電場作用下改變材料的吸收特性來調製光強度。
• 優勢：體積小、功耗低、適合高速傳輸。
• 挑戰：光學損耗較大，需要最佳化材料特性。

2. 矽光子學中的光學調變機制

光學調變器透過多種物理機制來改變光的特性，以實現高速資料傳輸。以下是幾種主要的調變機制：

• 等離子色散效應：透過調整自由載流子濃度來改變材料的折射率與吸收率。
• Pockels效應：利用外加電場改變非中心對稱材料的折射率。
• Franz-Keldysh效應：當外部電場改變半導體的能帶結構時，會延伸其吸收邊界，使得能量低於能隙的光子也能被吸收。
• 量子受限Stark效應（QCSE）：透過量子阱結構來強化電場對能帶結構的影響。
• 慢光效應：透過減少光在光子結構內的群速度來增強光與物質的相互作用，有效延長互動時間，而不增加器件的長度。
• 能帶間躍遷：透過改變電子的能態來影響光的吸收與折射。
• 相變效應：材料在晶態與非晶態間轉換時，其折射率發生劇變。

3. 矽光子探測器

光電探測器 (PD, Photodetector) 負責將光訊號轉換回電子訊號，是矽光子技術中不可或缺的元件。常見的技術包括：

• 鍺/矽 (Ge/Si) 光電探測器：利用鍺的光吸收特性，與矽晶片整合，以實現高效能探測。
• 石墨烯光電探測器：利用石墨烯的高載流子遷移率與寬頻吸收特性，達到超高速探測效果。

4. 矽光子波導與光學連線

• 波導技術：矽光子波導可導引光訊號至不同元件，提升整體系統效能。
• 光學互連：矽光子可應用於資料中心、超級計算機，減少傳輸延遲與功耗。

四、矽光子的應用領域

1. 高速光通訊

矽光子技術最主要的應用是高速光通訊，例如：

• 資料中心互連：利用矽光子技術提升伺服器間的資料傳輸速度。
  光纖到戶 (FTTH)：透過矽光子模組提升光纖網路的效能。
  衛星與太空通訊：矽光子技術可用於光學雷射通訊，提升遠距傳輸能力。
   

2. 高效能運算 (HPC)

• 人工智慧與機器學習：矽光子技術可加速資料傳輸，提高 AI 運算效能。
• 量子運算：矽光子技術被用於開發量子光學運算平臺。
   

3. 生醫與感測技術

• 光學生物感測器：矽光子生物感測器可用於疾病診斷，如 COVID-19 病毒檢測。
• 環境監測：利用光學感測器偵測空氣與水質汙染。

五、矽光子的未來發展

• 提升調製速度與頻寬
  • 研究新材料，如氮化矽、鈮酸鋰 (LiNbO₃)，提升光調製效能。
• 降低功耗與熱效應影響
  • 採用石墨烯、光子晶體等新技術，減少功耗與溫度變異。
• 光子與電子的深度整合
  • 發展矽光子晶片，與現有電子元件更緊密結合，提高整體運算效能。
• 新興應用拓展
  • 進一步推動矽光子技術在生醫、智慧感測、量子通訊等領域的應用。

六、結論

矽光子技術正快速發展，推動光通訊、運算與感測技術的革新。透過不斷提升調製效率、降低功耗與強化整合度，矽光子將成為未來數字基礎設施的關鍵技術之一。未來，隨著工藝技術與材料科學的進步，矽光子技術將進一步拓展應用範圍，改變我們的通訊與計算方式。隨著資料量呈指數級增長，現代光通訊網路對高速光調製器的需求日益增加，下表概括了矽光子技術中不同型別調製器的效能、優勢與挑戰，有助於根據應用需求選擇最合適的調製技術。