矽光子技術利用半導體製程，將分立的光或電元件製作成微型積體化晶片，以有效提高元件密度，增加總體操作速率，在摩爾定律矽電路逐漸走向瓶頸之際，有機會再創光子晶體的成長曲線。
當矽半導體技術電子與電路應用逐漸接近物理尺度極限，不斷微縮元件尺寸的同時，半導體發展越來越接近技術的瓶頸，在應用與效能需求持續成長的狀況下，將光電元件半導體化的矽光子(Silicon Photonics)技術成為延續摩爾定律的救贖之一，理論上，光沒有電荷與質量，傳輸距離可以更遠，且沒有實體線路的干擾，也沒有訊號衰減的問題。因此把光學元件整合於奈米等級的積體化晶片上，用光波導的傳導取代銅等金屬線，並如同操縱電一般地操控光，並產生數位訊號，就是光子技術。
矽光子技術將許多原本是分立的光或電元件利用現今成熟的矽半導體製程，製作成微型積體化晶片，以有效提高元件密度、增加總體操作速率，並使模組更堅固、提高模組可靠性，同時因為大晶圓製作、可以兼具量產與成本的優勢。目前矽光子技術可以應用於光通訊網路及光達(LiDAR)、光纖陀螺儀、生醫感測、機械力感測等領域，新興應用更持續發展中，成為下世代半導體技術的重點方向。
矽光子技術起步市場萌芽
矽光子儘管不是全新的技術，但由於技術難度高，目前發展還在早期技術累積階段，市場發展潛力上以最具體的資料中心光通訊應用為例，產業研究機構Gartner預測，到2025年，矽光子將被用於所有高頻寬資料中心通訊通道的20%以上，而2020年這一比例還不到5%，市場規模將達到26億美元。對低功耗、高頻寬和更快的資料傳輸的需求不斷成長，推動了對矽光子的需求。
使用矽光子的光互連將使分散的資料中心能夠為高性能運算和資料通訊提供更多的助力。高雄科大電機與資訊學院院長施天從(圖1)表示，對照過去三十多年半導體發展的歷程，在摩爾定律的帶領之下，晶片中的電晶體數目從不到1,000個到最新的Apple A16晶片內建160億個電晶體，運算能力成長億萬倍。
圖1 高雄科大電機與資訊學院院長施天從表示矽光子也要從整合1,000個到億級的光元件逐步加速，賦予矽光子晶片無與倫比的強大功能。
目前矽光子IC可以整合上百個光電元件，若對照半導體30多年以來的發展軌跡，施天從提到，半導體最早也是從一個一個電晶體開始發展，歷經大型積體電路(Large-Scale Integrated Circuit, LSI)與超大型積體電路(Very-Large-Scale Integration, VLSI)的階段，就現今的技術能力看來好像已經非常遙遠，事實上都不超過30年，而矽光子目前就是在起步的階段，也要從整合1,000個到億級的光元件逐步加速，透過半導體製程施加魔法，賦予矽光子晶片無與倫比的強大功能。
光子積體電路設計與模擬門檻高
光子積體電路是將光學元件透過半導體技術積體化，縮小面積、提升效率、降低成本。國研院半導體中心副主任莊英宗(圖2)指出，相關技術主要分為：光電元件，如被動積體光學元件、主動光電元件、光電晶片構裝與測試技術等，光學主動元件如雷射光源、光接收器(Photodetector)、調變器(Modulator)；被動元件有多工/解多工器(Mux/DeMux)、光濾波器(Optical Filter)、分路/合路器(Splitter/Combiner)、光耦合器(Optical Coupling)、干涉器/光開關(Interferometer/Switch)、極化控制器(Polarization Diversity)等與其他感測器或電路整合成光電系統晶片。
圖2 國研院半導體中心副主任莊英宗認為將光學引擎和運算、控制ASIC積體化在同一封裝載板上，能夠提高頻寬和降低功耗，並減少電耦合損耗。
以目前矽光子應用發展最快的光通訊收發模組而言，傳統的作法是將上述元件以離散式元件的方式製作成一個模組，國研院半導體中心晶片實作組組長曾聖翔(圖3)說，矽光子技術是結合光的優勢，如高速、高頻、低能量損耗等，與傳統通訊收發模組相較，體積大幅縮小，積體化後有機會降低成本，並大幅擴展每單位的傳輸頻寬，後摩爾時代，矽光子技術為降低I/O功耗、提升頻寬的必要措施。
圖3 國研院半導體中心晶片實作組組長曾聖翔提出後摩爾時代，矽光子技術為降低I/O功耗、提升頻寬的必要措施。
國研院半導體中心副研究員林銘偉提到，矽光子元件發展重點是在調變器等主動式元件，既有的矽光軟體在這樣的主動式元件設計中，能針對調變器中的矽基結構如矽基PN Junction等進行載子濃度、折射率、相位、頻響的模擬，但卻無法反映出如調變器中的Bondpad、金屬、基板等與矽基結構彼此相互間的電阻、電容、電感效應所產生的RF特性變化。
在應用開發層面，如高速傳輸晶片設計如何能與光子晶片設計進行完整的參數共享與共模擬，特別是在電子IC晶片的設計軟體與光子晶片設計軟體差異極大下，關係到光電設計模擬的準確性。曾聖翔說明，半導體中心現行做法是透過多方光學、RF軟體進行更精準的矽光光電元件設計與模擬，並建立矽光晶片如verilogA model，再放入電子IC設計軟體中與電子IC設計進行整合模擬，這或許是可以提供給有相關設計需求的設計者的參考設計流程。
CPO緩解網路連接埠頻寬與成本壓力
光收發模組目前既是技術發展最迅速的部分，在資料中心的高速資料交換設備，也有強大的市場需求支撐，在將光收發模組積體化後，在交換器內部的設計上，光纖會直接與晶片連接，矽光子收發模組與交換器的資料處理晶片非常接近，讓光學元件更靠近交換器ASIC的共同封裝光學元件(Co-Packaged Optics, CPO)技術近期也是業界熱門話題。
CPO首度全面部署預期發生在2028年，支援200Tb等級交換容量。莊英宗表示，將光學引擎和多種運算和控制ASIC積體化在同一封裝載板上，能夠使元件間的距離更近，提高頻寬和降低功耗，並減少電耦合損耗。矽光子晶片和CMOS製程技術經過共同封裝光學技術積體化，實做上，可以將多個GPU與CoWoS晶片的2.5D IC封裝相連接，再加上光學數據傳輸的低延遲優勢，訊號損失顯著降低，允許多個AI GPU組合成超大型GPU集合。2022 OFC展會中，NVIDIA採用台積電COUPE技術的矽光子模組積體化技術用於GPU後，組合多個AI GPU。
施天從進一步強調，資料中心的交換器網路就是其神經，隨著人們網路使用量持續提升，每天產生的網路資料成指數級成長，網路頻寬的需求也沒有止境，整個交換網路的成本過去以交換器晶片為主，未來存取連接埠的成本將持續成長，可能是交換器的十倍之譜，而隨著訊號傳輸速度越來越快，交換器到前面板的布線設計難度也跟著提高。功耗和冷卻挑戰是系統設計者的重大障礙，若光學元件能與ASIC更緊密地整合，由於訊號無須傳導至前面板，交換器矽和光學I/O之間的電氣線路長度可減至最短，以長度更短、功耗更低的連接埠取代以前的高損耗通道。
矽光子技術瓶頸出現突破口
事實上，除了CPO之外，矽光子的技術從多方面推進，應用領域也持續擴大中。2022年6月投入矽光子布局多年的Intel就宣布，展示在矽晶片上控制的八波長雷射陣列，具有匹配的功率和統一的間距，該技術使用八波長分散式回饋(DFB)雷射陣列，該陣列完全整合在矽晶片上，輸出功率均勻性達到+/-0.25dB，波長間隔均勻性達到±6.5%。
由於矽的物理特性非常穩定，無法透過通電或簡單的物理方式使其發光，矽光子電路中非常重要的發光源需要透過III/V族材料或化合物半導體協助，因此目前光源在做法上多半採用外部光源，Intel的研發看起來是一個突破性的成果，除了是內部光源之外，還充分利用八波長的雷射波長分波多工(Wavelength Division Multiplexing, WDM)技術，大幅擴增傳輸頻寬，若良率能有效提升，相信會是「殺手級」的技術，具有席捲市場的潛力。
Intel強調該技術確保光源的一致波長分離，同時保持統一的輸出功率，滿足光運算互連和DWDM通訊的要求。八波長DFB陣列是利用英特爾的商用12吋混合矽光子平台設計和製造的，該平台用於批量製造生產型光收發器。在這項研究中，英特爾使用先進的蝕刻技術，在III-V族晶圓粘合過程之前，在矽中定義波導光柵。與在3英寸或4英寸III-V晶圓廠生產的傳統半導體雷射器相比，這種技術帶來了更好的波長均勻性。此外，由於雷射的緊密整合，該陣列在環境溫度改變時也能保持其通道間距。
矽光子應用逐漸開枝散葉
除了資料中心光通訊之外，矽光子的應用領域近年也逐漸開花結果，莊英宗進一步解釋，包括高效能運算(High Performance Computing, HPC)、電信、消費性、感測/生物感測、航太、量子運算(Quantum Computing)等。由於平台的日益成熟，新興應用將帶動市場的發展，如醫療應用開始進入市場，許多新創公司使用矽整合光學元件作為製造平台。Rockley宣布其VitalSpex生物感測平台在2022/23年出貨。這可能為未來大型OEM廠商在穿戴式設備中整合基於矽光子的生物感測器創造良好的機會。
另外，晶片型光達(chip scale LiDAR)，自駕車需要的固態光達已經敲碗多時，隨著矽光子技術逐漸成熟，有望突破過去的技術瓶頸；光陀螺儀可計算光折射/干涉的相位差來取得數據，在車輛、船艦、導彈導航等應用都深具潛力；醫療領域的應用更具想像空間，與前述舉例類似，例如血氧濃度、血糖、癌症等人體血液的檢測都有許多團隊投入；近年當紅的量子運算未來也是矽光子的發展領域。
矽光子測試驗證確保技術研發成果
而隨著越來越多矽光子晶片量產，曾聖翔提醒，矽光子的價值在於可彈性的支援各種應用技術實現，例如高速傳輸可透過高速的矽光子調變器實現，但高速只代表著數據的傳輸量值，而數據的傳輸品質則需要透過如Extinction Ratio、Signal-to-noise ratio、optical modulation amplitude等表現來定義。矽光子的設計驗證與訊號量測是確保技術進步的一環，矽光子應用於高速訊號量測，需要測試者具備元件物理、設計、製造、設備原理與操作、光與RF經驗等多領域的熟悉理解，才能達成整個測試工作。
林銘偉進一步說明，以一個最簡單的調變器的高速測試，使用的設備就超過五項，在光電訊號轉換間，還會有光纖、Cable、探針、轉接頭等多個項目，以上環節都會影響測試結果。矽光子的量測設備規格需求，包含能提供整合式光電元件及系統量測平台，在探針座、NRZ/PAM4訊號源設備、高頻寬光網路分析儀等都有不同設備商提供對應高規格的設備選項，在設備規格已逐漸可支援目前矽光在~50Gbps/one device的需求下，更重要的測試議題在於如何定義矽光子元件/模組在高速訊號量測下的準確性，需要業界共同討論與認同。