矽光子技術將光通訊整合至矽晶片，藉由成熟的CMOS製程縮小體積、降低成本，常被視為摩爾定律的救星。除了解決資料中心的燃眉之急，矽光子也能在車用感測、運算系統大顯身手，等到技術及商業模式成熟，可望看到各應用積極擁抱矽光子技術。
單憑一種技術平台沒辦法製作出矽光子晶片。本文將詳細討論一種能與現有CMOS製程無縫整合的基材：矽材。
光是資訊的絕佳載體，能在較低功耗的情況下實現高傳輸率。數十年來，矽材一直是半導體技術的重要基石。這套平台將微電子發展推向數次巔峰，種種跡象顯示矽材遲早也會用於光能技術的開發。畢竟上百億投資已然挹注在改良微電子製造的材料與製程上，那又何必對眼前的解決方案棄之不用呢？
矽光子因此應運而生。從1980年代開始針對這項技術進行研究，並在2000年前後顯現成長動能，現已步入商業化量產。矽光子在資料中心應用尤其受到關注，越來越受矚目，運用矽光子技術所製成的收發器可以用來進行伺服器之間的光學連接(圖1)。
圖1 CMOS與矽光子(SiPh)的異質收發器原型 (圖片來源：imec)
隨著全球對資料傳輸的需求增加，同時力求降低能耗，矽光子技術可望在接下來的10年內迅速發展。市場研究機構Yole Group預測，2021~2027年矽光子市場的年複合成長率(CAGR)將達36%，市值估計高達10億美元。
雖然這波成長的主要驅動力來自資料中心的內部通訊，但其它更多的新興應用也有望浮現。如同本文所述，矽材極有可能用來進行更短距的資料傳輸，最終在同一系統內實現晶片之間的連接。這項技術也可望作為車用光達平台，在道路上指引自駕車行駛，或至少協助駕駛避免碰撞。
荷蘭矽光子技術開發生態系統PhotonDelta的技術長Carol de Vries說明，矽光子在符合業界標準的12吋晶圓廠製造，也就是說，這些晶片能在具備高規格、產品控制和可靠後勤管理的情況下生產，如此一來便可打破某些局限，開啟與雷射等技術結合的可能。市場初步預測矽光子晶片或其它相關整合平台將在市場立足，他進一步表示，2040年前可望達到45%的市占率。
矽光子前景看好
一直以來，矽光子(SiPh)指的是基於電子電路主流材料：矽與二氧化矽的積體光學(Integrated Photonics)。在科學文獻中，這類積體光學常被稱作絕緣層上矽(SOI)，這也是另一項特殊半導體技術所用的術語。
嚴格來說，積體光學也包含氮化矽(SiN)與磷化銦(InP)技術，而三者之中SOI的開發限制最多。由於矽材具備間接能隙，因此無法形成增益或雷射；換句話說，矽材沒辦法用來製造像是光源或放大器等主動元件。SiN也是如此，但與SOI相比，其光損較低且工作頻率範圍更廣。
InP是三者中唯一能支援所有功能的半導體材料，但和SOI一樣，InP在損耗與頻率範圍方面較為不利。因此，為了作為光源使用，Si與SiN平台常與InP技術結合(圖2)。不同應用的最佳整合方法各異。
圖2 12吋矽光子晶圓，搭配InP覆晶雷射二極體 (圖片來源：imec)
SOI的材料特性已能滿足不少有趣的應用。光可以有效輸出與輸入晶片，重要的被動元件也能夠運作，像是吉赫(GHz)等級的調變器或光偵測器。此外，還能利用發展數十年的矽材製造經驗，包含12吋晶圓、高良率、CMOS共整合(Co-integration)，以及各種3D整合與先進技術等，為矽光子技術帶來光明前景。
CMOS材料限制
矽光子越來越常被解讀為可在CMOS晶圓廠製造的積體光學元件。這樣說來，SiN也不失為矽光子的選項之一，畢竟它也和CMOS相容。但這有個條件，imec矽光子科學研究員Joris Van Campenhout解釋，製造具備低光損的高階SiN波導需要較高的熱預算，這可能導致其無法與其它功能進行共整合。
保持CMOS相容性通常會受到限制。Van Campenhout表示，CMOS的製造環境經過嚴格控管，有些材料無法使用，包含InP與其它三五族材料。但另一方面，CMOS製程規範並非不可更改之鐵則，幾十年來，為了維持摩爾定律，已引進不少新的材料。只要商業目標明確，沒有不可能的事，只是目前尚未出現足以刺激製程調整的高量產光子晶片應用。
Van Campenhout也提到，未來的應用案例需要矽光子引進新材料，以精進性能與成本。舉例來說，當資料中心收發器的訊號傳輸率高達200Gb/s以上時，實現調變器的高頻寬與低光損會越來越困難。這些發展障礙只能透過導入新材料來解除，在維持CMOS相容性的情況下，擴充矽光子的材料與功能將帶來絕佳契機。
導入新材料有其可能性，在遵循CMOS製程規範時，可以整合一些「禁用」材料，或是在後段製程採用含有這類材料的元件。Van Campenhout接著說道，現階段仍無法確定最佳的整合方案以及未來量產的發展時程。除了資料中心與電信通訊，矽光子技術的其它應用仍在初期研究階段。需要整合哪些功能？又要哪些規格？這些問題在各式應用仍然未解。儘管如此，他仍認為，隨著矽光子發展態勢看漲，商業模式漸趨穩健，市場推力拉抬，這些限制很可能將迎刃而解。
滿足市場需求
歷史上，光通訊的傳輸距離逐漸縮短，最早是跨陸通訊，接著是住家辦公室通訊，現在則是資料中心之間的伺服器通訊。未來傳輸距離仍會持續縮短，但礙於晶片之間的電性連接失去微縮動能，範圍將落在1~10cm內。
目前，光通訊的微縮問題在高效能運算應用最為迫切。例如，Nvidia推出的一體式小型資料中心(Datacenter-in-a-box)結合了8顆高性能GPU與大容量記憶體，以應對機器學習與資料科學的大量運算需求。這套系統的性能取決於處理器與記憶體之間的資料交換速率與效率。根據目前導線的傳輸速度推斷，Van Campenhout預測再過兩個或三個電晶體世代後，處理器與記憶體的傳輸就會遇到瓶頸。
Van Campenhout從2010年起擔任imec光學I/O技術研發計畫的主持人，過去十幾年來將研究主力放在資通訊與電信應用，但他也表示，近幾年短程的光通訊明顯越來越受到業界重視，不少企業，包含幾間獲得大量資金的新創，都亟欲導入能進行高度整合的短距光學傳輸系統，以提升自家高效能運算系統的效能。
未來，矽光子技術可望發展出更多的通用應用。例如，晶片製造大廠皆致力於分割晶片，切成多個專用功能IC，例如CPU、I/O、快取記憶體等。尤其在較長距傳輸應用中，銅導線可能不太適合用來連接小晶片。
這就需要進一步改良頻寬和功率效率。imec的研究目標是讓頻寬每隔兩年升級兩倍，同時讓光學子系統每位元的運算功耗減半。這就需要引進可能「違反」CMOS相容性的新興材料。如果說有任何商業應用能迎接這項挑戰，那很可能是晶片之間的光學傳輸應用。
imec積體光學研究概況
imec首先在比利時魯汶的總部進行光學I/O技術研發計畫，並提供矽光子(SiPh)/氮化矽(SiN)原型設計服務，目前開始在荷蘭進行幾項以應用為導向的矽光子研究。這些研究獲得荷蘭國家成長基金(National Growth Fund)共同資助，並與荷蘭應用科學研究院(TNO)等矽光子技術開發生態系統PhotonDelta的成員建立合作，將在荷蘭恩荷芬(Eindhoven)的霍爾斯特研發中心(Holst Centre)聚焦光達與雷達設計，並在荷蘭瓦赫寧恩(Wageningen)的Oneplanet研究中心探討糧食應用。
imec研發副總裁暨Holst Centre總經理Kathleen Philips表示，imec在荷蘭的研究主力是設計出更完善的光子系統，包含電子元件及演算法。除了改良不同構件，也串連多種專業領域，以創造差異化IP。應用領域包含農業與糧食、衛生保健，以及資料通訊與車用光達。
(本文由imec提供，作者為Techwatch編輯)