矽光子主被動元件研發計畫　1.6T光收發晶片著眼下代應用

網路資料量隨著科技產業的發展持續呈現指數型成長，5G、AI、自駕車與AR/VR等應用將持續產生更多數位資料，網路流量成長沒有盡頭，扮演基礎骨幹的傳輸網路系統，頻寬擴張的需求日益殷切。未來幾年400G光纖網路將逐漸成為骨幹網路主力，取代目前以100G為主的架構，尤其是超大規模資料中心(Hyperscale Data Center)與超級電腦(Supercomputing)成長加速，對於頻寬的需求持續擴張。

400G光纖網路是這兩年廠商積極發展的重點，不過最新的四階脈衝振幅調變(PAM4)技術，預計只能協助光收發模組提升到800G的速率，而將模組中的主被動元件積體電路化，則能有效將傳輸速率再提升，「矽光子主被動元件平台」計畫，便利用矽光子晶片高集積密度的特性，整合四組CWDM4波長頻道合計16個通道，開發總傳輸能力為1.6Tb/s的光發射引擎與光接收引擎。

超大規模資料中心內部互聯需求龐大

資料中心將朝向超大規模發展，原因在於未來網路應用資料量持續成長，資料互聯需求大為提升，將伺服器與資料集中可以進行更為有效的管理。過去一個資料中心伺服器的數量約只有數百台，超大規模資料中心伺服器數量可能超過10萬台，這麼大量的伺服器要進行資料互聯，線路數量非常可觀，根據統計資料中心的整體資料傳輸量中有3/4是內部資料互聯，僅1/4使用在對外傳輸，兩台伺服器互聯需要一條線，三台伺服器互聯則需三條線，四台伺服器則需要六條線，連線數量隨著伺服器的數量增加超過線性增加。

儘管透過連線的簡化設計，伺服器間的互聯線路可低於指數增加數量，但是一個資料中心伺服器由一萬台增加到十萬台，聯線數量並非僅原先的10倍，而是30~50倍。因此高頻寬對於連線數量簡化的意義在於，每一條線路連接能力一樣的情況下，導入頻寬10倍的技術，連線數量就可以降低到原先的1/10。數台伺服器可以共用一個收發器連接埠，甚至將整個機櫃的線路整合在同一個連接埠上。 從成本的角度來觀察，目前100G收發器是主流，成本也下降到非常具有競爭力的階段，但400G收發器成本約是100G的5~8倍，若要取代100G成為主流，成本需壓低到100G的2倍左右。而矽光子收發器1.6T是利用現有的技術，著眼於下兩個世代的應用需求，效能可達100G收發器的16倍，若能將成本控制在100G收發器的10倍以內，產業應用價值即可被突顯。

建構矽光子主被動元件開發能力

除了成本與效能之外，矽光子積體電路相較於傳統的分立式光收發器，最大的優勢其實是在積體化，將分立式元件變成半導體電路，可以享受數位化的好處，成本與效能改善較分立式元件更迅速，「矽光子主被動元件平台」計畫由五個子計畫組成，將完成：

(1)自製矽光子學各式元件的開發、建立自有元件資料庫。

(2)開發適於本矽光子晶片耦光的高功率DFB雷射二極體。

(3)研究適合的多通道調變器驅動積體電路、前置放大器積體電路。

(4)探討各式光纖對準效果及雷射晶粒耦光最佳化製程、完成模組化的1.6Tb/s光發射及光接收引擎。

(5)探討PAM及OFDM調變技術以達到最佳化傳輸效果、並建置量測實驗室協助國內產學研各界。

本計畫完成後可以大幅提升國內光通訊關鍵性元件與模組之技術能力。子計畫一將統合開發總計畫中所需之矽光子主被動元件平台晶片，主要目標為開發1.6Tb/s矽光子平台光發送與接收晶片。

發送晶片如圖1所示，此晶片中使用到四組不同波長之DFB LD Array(1270nm、1290nm、1310nm、1330nm)做為光源，各波長光訊號經過端面耦合器(Edge Coupler)耦合進入矽光子波導中，再經過MMI光分岐器將各波長訊號分成四路(共16路)，經個別的MZM(Mach Zehnder Modulator)調變之後，透過一組16×4 AWG MUX，每四個波長引入一個輸出埠，再經由端面耦合器接到4芯光纖陣列，構成此發送端的晶片架構。

而接收晶片如圖2所示，晶片中使用到四芯光纖陣列經過端面耦合器耦合進入矽光波導中，經過四組1×4 CWDM AWG DeMUX(1270nm、1290nm、1310nm、1330nm)，將16組訊號接入光偵測器偵測，構成此接收端的晶片架構，偵測出的光電流再經由外部轉阻放大器電路放大後即可判定其訊號內容。 子計畫一之另一目標為開發矽光子平台主被動元件庫，重點項目包括慢光式高速(>60GHz)鍺光偵測器、針對小纖芯單模光纖之寬頻端面耦合器、針對DFB Laser之寬頻端面耦合器、低損耗陣列波導式分波多工/解多工器、寬頻低損耗光分岐器、高速(>50GHz)光調變器等，此外尚有微三角形、微矩形共振腔濾波器、微環形共振腔濾波器、光切換器、光塞取器等矽光子積體電路元件技術之開發。

高功率與高速調變雷射光源開發

此研究計畫四年期間將以製作高功率1.31μm波段之商用邊射型雷射為主軸，並搭配模擬與量測開發出適合不同封裝技術與介面的高功率雷射，且與台灣的光通訊雷射公司合作，進一步整合出適合1.6Tb/s光通訊網路系統的量產藍圖；對於高速的光通訊模組中，光源的品質優劣決定了模組的整體功率耗損與訊號品質好壞，除此之外有別於垂直出光的共振腔雷射易於耦光的特性，邊射型雷射在矽光子基板的需求尤為重要。

製作雷射光源就計畫的考慮上將分為高功率雷射與高速調變光源兩個主軸：

在高功率雷射上，將著重於兩個重要的議題，首先在功率議題上，為了增加雷射功率，因此雷射的光學模態與空間光子密度皆會因此增高。為了抑制此現象，一般商用雷射皆會採取高導熱與窄狀波導的設計(圖3)；為了符合此種設計，雷射的磊晶難度大幅提高，因此提出一種特殊的橫向結構作為高功率雷射的模態控制設計，希望能透過製程與簡易的結構設計，使得高功率雷射容易實現。

另外在耦光設計上，也希望所製作的雷射有更易於封裝的特性，因此，將導入光模態轉換的結構，使得遠場角度設計更能符合矽光子平台之光接口光窗，而後進行端對接耦合(End-Butt Coupling)的設計使邊射型雷射的封裝誤差容忍度能有所提升。

由於高速光源可以減低矽晶片的外部調變器所占的面積，因此這項議題在國外的廠商是非常領先的(圖4)，為了追上這個研究的進度，希望透過外部調變雷射與新結構的光電晶體兩種不同的雷射調變光源元件來作為努力的方向。子計畫二的研究目標，將致力於提供並克服1.6Tb/s模組的光源需求與難題，並希望在最後的一年進行研發實驗，提供未來光世代所需的光調變元件。