產業研究機構Yole Group(Yole)預測，矽光子平台的成熟程度和快速發展的生態系統預計將於2027年為資料通訊(Datacom)帶來54億美元的市場規模。如今，物聯網和雲端伺服器(Server)需要傳輸的資料量增加，矽光子將以高資料傳輸量成為資料中心的救星。
矽光子將過去單一的離散元件整合，順應縮減元件體積的趨勢將光學主被動元件微縮、積體化。透過矽晶圓成熟的CMOS製程技術，矽光子能降低成本並大量生產，滿足資料中心與日俱增的傳輸需求。
然而，新技術也帶來新的挑戰。市場需求不斷提升，如何找出最佳的光電元件設計、提升單一通道資料傳輸速率、將雷射光源置入矽光子晶片模組皆為該技術需要克服的關卡。尤其矽光子晶片因為矽元素為非直接能隙半導體而難以發光，需要額外以其他材料如III/V族化合物提供光源，異質整合也為封裝及良率帶來挑戰。
三招提升傳輸速率
矽光子晶片連接的光纖數目受到晶片大小限制難以增加，為了提升傳輸速率，須從提升光纖傳輸的資料量著手。工研院電光系統所所長張世杰(圖1)分析，目前有三種主要方式可達成這個目標，如下分述。
圖1 工研院電光系統所所長張世杰表示提升傳輸速率有三種主要方式：波長分波多工(WDM)技術、單一通道速度提升及降低損耗。
波長分波多工
波長分波多工(WDM)技術在光通訊領域已行之有年，工研院電光系統所研發組長林建中(圖2)說明，以前WDM主要應用於光纖的骨幹網路，譬如洲際之間的長距離光纖。該技術可在同一光纖中，同時傳輸多個通道的獨立訊號。光纖的資料傳輸量可視為這些通道個別資料傳輸量的總和，比如使用1.2µm和1.5µm兩個波長的光波形成兩通道，假設原本單獨使用光波可達100GHz，雙通道便可增加為200GHz。
圖2 工研院電光系統所研發組長林建中認為矽光子晶片異質整合光源的方式主要分為兩種，分別為外部雷射光源，以及雷射光源和矽光子晶片結合形成的整合型晶片。
運用此技術，單一矽光子晶片可顯著提升其資料傳輸能力。在此架構下，矽光子晶片的設計必須要能夠同時容納、處理數個波長的光子，避免傳遞過程中發生干擾現象而使通訊混雜無法區分，因此晶片設計難度將隨通道數量增加而提升。
單一通道速度提升
在先進的矽光子晶片中，除了處理多個通道的光子之外，也能提升個別通道的傳輸速度。一般來說，數位化資料(如0和1的二元化資料序列)會透過光子的強度高低來呈現，要達到這個目的須於晶片中使用光電開關以及光感測器(Photodetector)，而光電開關的速度及光感測器的頻寬將決定通道的資料傳輸速度。
矽光子晶片中，可透過改變光電調變器(Modulator)以及光感測器的設計來提升相關的速率，也能藉由優化元件來提升效率。林建中提到，對於上述高速元件，提升性能的時候須特別在細節上下功夫，不斷改進製造程序。除此之外，優化馬赫-詹德干涉儀元件、製作微環形元件，或是考慮到矽元素光電轉換效率的限制，搭配使用異質材料(如化合物半導體)強化光電效應，這些方法皆可協助提升通道速度。
Yole近期文章分析，資料速率持續上升，高速調變將成為關鍵挑戰，針對新材料的研究也陸續展開，以便克服當前限制。新材料包括LNO薄膜、磷化銦(InP) 、BTO、聚合物及電漿材料。Yole表示，隨著整合光學發展，矽光子將擴展整合其他材料，繼續利用其CMOS製造環境優勢實現成本效益。
降低損耗
所有光電晶片都需要追求低損耗，任何光的損失均代表資訊或能量的減少。要達到這個目標，有兩個努力方向：半導體晶片製程及光電封裝。在半導體晶片製程方面，必須降低元件製程中所產生的誤差以及不均勻度，提高製程的精確度，必要時採用更高的技術節點，例如矽製程技術節點從248nm改為90nm。但採用先進製程，矽光子的成本也將跟著提升；在光電封裝方面，如何在接近無耗損的狀態下，將光纖內的光導入矽光子晶片，會是技術發展重點。這個部分包括材料、晶片設計、設備各方面的提升，同時封裝上對位須精準才能達到通訊系統日趨嚴格的要求。
張世杰表示，上述三種提升資料傳輸效能的方式皆同等重要，具體布局何種方案視廠商自身專業技術而定。WDM/單一通道速度提升和IC設計、材料、製程相關；降低損耗、對位精準則和封裝密切相關。
矽光子雷射光源整合有方
由於矽本身難發光，矽光子須整合化合物半導體雷射元件於晶片內。雷射可透過單石化成長(Monolithic Growth)、直接貼合(Direct Bonding)或置於外部額外封裝等方式與晶片整合。
Optica Publishing Group資料指出，有效將III/V族光源和矽光子電路耦合是整合光學的關鍵挑戰。III/V族元素組成的化合物因其較高的光電轉換效率，常作為矽光子晶片的光源材料使用，其中，InP是光收發器雷射晶片的重要材料，為常見的矽光子雷射光源方案。
林建中提到，目前異質整合光源於矽光子晶片的方式主要分為兩種，其一為將雷射光源置於矽光子晶片之外，光源和晶片各自優化再結合，現階段多數廠商選擇使用此方式；另一種方式則將雷射光源和矽光子晶片結合，結合方式多樣，是熱門研究主題。III/V族材料和矽光子晶片貼合將光導入矽光子晶片，從封裝角度看整合為一體，可讓體積大幅縮小。不過整合型晶片的良率表現將更為嚴峻，為雷射與矽光子晶片良率的乘積，兩者之一出現問題便需要全部替換。
工研院電光系統所組長方彥翔表示，短期來看，若希望把良率拉高，外部雷射光源是比較容易達成的選項；中期來看，選用何種方式最終還是取決於資料中心系統端架構的設計，包括耗能、速度等，皆須一同規畫。此外，廠商如英特爾(Intel)在整合雷射光源和矽光子晶片方面已布局10多年，以商業角度來看也可能影響其他大廠在矽光子的策略選擇，這時外部雷射光源便可能成為突破口。
超前部署卡位矽光子 市場需求帶動產業發展
資料傳輸需求將持續推動矽光子技術發展，各家廠商也積極投入相關技術。然而，矽光子導入的速度還是得看市場需求，目前矽光子在半導體廠商的產值上依舊不高，但廠商若不提前布局，便可能在之後技術應用爆發時落於人後。
回看台灣，我國半導體廠先進製程實力占優，若投入矽光子不會輸給外商，目前重點仍在於市場需求何時爆發，進而帶動產量，才能真正迎來矽光子盛世。