矽光子技術：開啟未來高速光通訊的大門
郭浩中 教授團隊
國立陽明交通大學 光電工程學系
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一、前言 |
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圖1. 矽光子應用領域 |
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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光與封裝，但缺點為此材料目前製程為4 吋以下製程，良率差成本高，若採用玻璃製作優點為成本低，材料取得容易，缺點為製程良率不穩定，製程技術尚待開發中，最後是高分子材料Polymer，優點為成本低製程快速，缺點為可靠度差，品質管控不易，容易產生型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數據，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 製程兼容，實現電子與光子元件的單晶片整合。
- 可擴展性：可透過現有半導體工藝大規模製造，降低生產成本。
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三、矽光子的關鍵技術 |
矽光子系統的核心組件包括主動元件（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信號的傳輸與操控。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參雜光偵測器，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位訊號。
- 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，將外部光源導入矽光元件，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:主要用於單模光信號分成多路輸出或多路光整併，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（平面電路板上的芯片）與3D封裝（多層芯片堆疊）之間的技術。它主要通過矽中介層（Interposer），將多個芯片（如處理器、記憶體等）放置在同一平面上，並通過矽穿孔（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。 |
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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：
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圖5. 傳統馬赫-曾德爾調製器，兩段波導透過通電調製產生相位不同的光輸出訊號 |
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圖6. 微環/微碟共振調製器與側面結構圖 |
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圖7. 環形共振馬赫-曾德爾調製器
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圖8. 電吸收調製器示意圖透過石墨烯整合進一步提升性能 |
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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，以實現高速數據傳輸。以下是幾種主要的調變機制：
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圖9. 矽光子學中的光學調變機制與相關理論架構 |
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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。
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4. 矽光子波導與光學連接 |
- 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、超級電腦，減少傳輸延遲與功耗。
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四、矽光子的應用領域 |
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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：
- 數據中心互連：利用矽光子技術提升伺服器間的數據傳輸速度。
- 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。
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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台。
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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污染。
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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。
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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位基礎設施的關鍵技術之一。未來，隨著製程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。隨著數據量呈指數級增長，現代光通信網絡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類型調製器的性能、優勢與挑戰，有助於根據應用需求選擇最合適的調製技術。
表一、不同類型矽光調製器能力總表
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參數 |
馬赫-曾德爾調製器 (MZM) |
環形調製器 (Ring Modulator) |
環輔助馬赫- 曾德爾調製器 (RAMZM) |
電吸收調製器 (EAM) |
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頻寬 (GHz) |
Max >110 GHz Standard: 30–110 GHz |
Max >77 GHz Standard: 30–77 GHz |
Max: 58.5 GHz Standard: 8.5–58.5 GHz |
Max: 89 GHz Standard: 26.8–89 GHz |
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電壓-長度積 (Vπ·L) |
Min. : 0.003 V·cm Standard: 0.003–1.6 V·cm |
Min. : 0.52 V·cm Standard: 0.52–0.8 V·cm |
Min. : 0.025 V·cm Standard: 0.025–1.73 V·cm |
無明確適用數據 |
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消光比 (ER, dB) |
Max: >50 dB Standard: 3.15–50 dB |
Max: 25 dB Standard: 3.5–25 dB |
Max: 30 dB Standard: 8–30 dB |
Max: 14.15 dB Standard: 3–14.15 dB |
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插入損耗 (IL, dB) |
約 1.7 dB 至 18 dB， 取決於器件長度和材料 |
小於 0.7 dB 至約 14 dB，通常較低 |
2 dB 至 10.5 dB，依設計複雜度而定 |
1.8 dB 至 6.2 dB，受材料吸收影響 |
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設備尺寸 |
長度約 0.12 mm 至 3 mm，佔用較大面積 |
半徑約 3.7 µm 至 15 µm，極為緊湊 |
面積約 80×60 µm² 至較大結構，包含環形與干涉儀 |
維度約 40×0.3 µm²， 結構簡單且緊湊 |
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數據速率 (Gb/s) |
Max: 560 Gb/s Standard: 80–560 Gb/s |
Max: 330 Gb/s Standard: 128–330 Gb/s |
Max: 320 Gb/s Standard: 12–320 Gb/s |
Max: >112 Gb/s， Standard: 32–112 Gb/s |
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優勢 |
高線性度、大頻寬，適用於長距離傳輸；混合集成可提升性能 |
緊湊尺寸、高速、低功耗，適用於高密度集成應用 |
更佳消光比與頻寬，插入損耗與頻寬之間取得平衡 |
高調製效率、低功耗、與CMOS 相容；石墨烯整合可擴展頻譜範圍 |
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挑戰 |
矽 MZM 頻寬受限， 混合材料設備製造複雜 |
速度、功耗與熱穩定性之間的權衡，對製造誤差敏感 |
設計與製造工藝更具挑戰性，因需同時整合環形與干涉儀 |
石墨烯設備的接觸電阻挑戰；需要平衡速度與能效 |
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常見材料 |
矽、鈮酸鋰 (LiNbO₃)、 矽-有機混合材料 |
SOI (矽絕緣體)、矽氮化物 (SiN)、 混合材料 |
InP (磷化銦) 薄膜、 SOI 內建微環結構 |
鍺 (Ge)、矽鍺 (SiGe) 量子阱、石墨烯-矽混合結構 |
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典型應用 |
遠距離通信、數據中心、高容量網絡 |
芯片內部互連、數據中心、緊湊型調製應用 |
高性能射頻光子學、需要高消光比與頻寬的應用 |
數據中心、電信、光纖無線通信、高速光檢測 |
