什麼是矽光子？

矽光子 (SiPh) 是建構光子積體電路 (PIC) 的平台，可供光學通訊、高速資料傳輸和光子感應裝置使用。半導體基板物質是絕緣層上覆矽 (SOI) 晶圓。使用標準半導體製程在矽 (Si) 光子層上製造元件，而矽在紅外光下為透明。在矽周圍放置二氧化矽 (SiO₂) 或空氣來產生高折射率差，使得在元件內傳播的光在傳播通過電路時損耗極少。

晶片上光子積體電路非常小巧，耗電量較低，且運作速度比傳統光子快 (超過 100 Gb/s)，資訊傳輸比電子電路的速度更快而且效率更好。這些優勢結合使用標準互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 製造技術的能力，讓採用矽光子的晶片快速增加。

在 1980 年代中期，研究人員提議，將專為光子設計的電路與專為電子設計的電路放在同一個晶片上。光子電路能發射、調變、切換、增強和偵測光。直至 2005 年開發出矽晶模組之前，單晶光電積體矽晶片並不常見，而且新晶圓製程可用的線寬變得夠薄，足以建構光子電路所需的波導。

如同電子晶片透過球柵陣列或電線連接到外部電路，光是使用光纖傳輸進出光子晶片。由於頻率較高且頻寬更大，這些光纖互連傳輸資料的速度比電子互連更快。

接著在電路上加裝雷射以產生光，並在接收器電路中加入光偵測器以測量光子的能量、頻率和其他特性。利用傳統的積體電路技術，將電傳遞至每個裝置或從裝置中擷取。將光訊號轉換為電子訊號的電子裝置，可以放在同一晶片上或在個別的電子裝置上。這些偵測器與發射器與晶片上裝置結合，可調變 (即改變可測量的特性)、切換及增強光，以執行光學網路中的關鍵功能，促進高速資料傳輸，或測量微觀或宏觀尺度的實體屬性。

一些較常見的光子元件為：

1. 波導：光子在光子電路中沿著傳播的「電線」。波導的截面、表面粗糙度和彎曲半徑可能會大幅影響波導內傳播的光線。
2. 光學調變器：可修改光束相位、振幅、極化、間距和繞射特性的元件，以將資訊編碼到光束中
3. 光源：在電路中產生光的不同類型的半導體雷射。雷射不是以矽為基礎，而是使用 III-V 複合半導體。光源可能是外部元件，或內建於與光子積體電路相同的晶片中。
4. 接收器：光偵測器，會吸收光子並將光的編碼資訊轉換為電子訊號
5. 光學開關：使用溫度、與其他光源的交互作用以及微空穴效應來引導光的裝置。光學開關的速度可能比機械、微機電系統 (MEMS) 或電子開關快上許多。
6. 濾光片：多種不同的元件，使用各種光的物理特性，以想要的頻率範圍傳遞光。頻率則由被動式濾光片的幾何和主動式濾光片的電輸入來設定。
7. 耦合器：分割或結合光學訊號的裝置

矽光子技術的高效能，使該技術取代在封裝中和電腦元件之間的通訊和電子互連之電子或機電交換，並可以控制光學感應器，例如光學雷達。此技術可以在其他電子系統中提供光子階梯，增強現有的解決方案，例如適用於光纖的單晶片收發器，以及光子效能更好的複雜訊號處理應用。

使用光來攜帶資訊具有極大的優勢，更勝電子、無線電波或微波。光的頻率較高而且具有多種模式 (頻率、振幅、相位等)，可以低耗電傳送更多資訊。當晶片內建光子裝置，且與電子裝置運作所需的晶片相同時，這些優勢便會倍增，可進行低成本的大量生產製程。

此技術將光學元件與同一晶片上的電子電路結合，因此光電裝置可以封裝成比獨立光學與電路解決方案更小的尺寸規格。由於光傳播通過波導時的損耗極少，且因為微小尺寸的關係，矽光子裝置消耗的能源比電子或獨立光學裝置還少。

然而，矽光子技術最大的優勢在於使用現有的 CMOS 製造系統。全球半導體製造商每年製造超過一兆個不同種類的晶片。公司利用設計、製造、封裝及測試半導體硬體的工具，來執行矽光子技術。許多半導體晶圓廠都訂立相關標準規範光子整合設計，讓新產品開發更快、成本更低而且更穩健。

即使目前矽光子價值鏈體系提供最先進的製造技術，在應用方面仍有許多挑戰。有些難題源自於基礎物理，另一些則是製造限制所致。各家公司與大學正在進行基礎和實務研究，以瞭解並克服這些挑戰。

雖然使用 SOI 晶圓可簡化製造過程，但矽限制了所使用的光頻率，而且該材料不能用來製造雷射及其他必要元件。因此，研究人員正在設法加入新物質，例如氮化矽 (SiN) 和磷化銦 (InP)，以擴大波長的範圍。其他研究則著重於將砷化鎵 (GaAs) 等 III-V 物質與製造工作流程整合，以建構晶片上的光源。

光子電路的能源損失，是設計師必須瞭解和控制的另一項挑戰。即使是與光學波導的彎折半徑同樣簡單的因素，也必須考慮損耗，與小巧體積之間做出權衡。同樣地，要使用哪一種光學調變器或濾光片也可能難以抉擇。人們在感應技術中應用矽光子時，需要克服靈敏度和小型化的限制。

雖然採用 SiPh 的成本比其他替代方案少，但是大規模採用 SiPh 的裝置成本仍然過高。目前使用這項技術製造的晶片數量達到數百萬。光子元件必須擴大至一年製造數十億個晶片，才能降低成本，並達到在資料中心和電信網路等地廣泛採用的目標。

光學系統的需求也必須與光電工程學電子端的要求達到平衡。如果電子裝置位於同一晶片上，則製造方法必須平衡每種訊號處理的需求。或者，如果使用獨立的電子裝置，通常會使用先進的半導體封裝技術來連接兩者。在這兩種方法中，電子裝置產生的熱能均可能會影響光子。

採用矽光子打造的光學解決方案由於體積小、相對低成本、能源效率高和低延遲，因此適用於越來越多樣的應用。最常見的用途是透過光纖進行高速資料傳輸。Intel 等公司致力於改良光纖元件收發器晶片的功能，使其廣泛適用於各種不同的應用。其中有多種晶片用於將電腦連上網路的光學路由器和訊號處理器。

節點之間的光學網路和特定節點內的光互連，可大幅提升高效能應用 (例如人工智慧、比特幣挖礦和數位孿生等) 的運算速度。隨著處理器提高運算速度，資料傳輸的頻寬成為發展瓶頸，而矽光子可突破此困境。

光子元件中採用 SiPh 技術的新興應用包括：

• 光子感應器：SiPh 感應器可以測量光通過樣本時引起的小幅折射率變化。這些變化可指出生物或環境樣本中的特定生物標記。
• 光學雷達：光偵測與測距裝置傳送一個光脈衝，並測量返回時間。採用矽光子技術的光學雷達解決方案尺寸較小，耗電量更少，而且製造成本低於使用個別元件建構的系統。
• 量子運算與網路：量子電腦使用光子進行計算。光子積體電路的速度、準確度和低成本，也有益於量子電腦內和之間的光管理。

自 1980 年代推出以來，矽光子型元件的角色已從支援電信光纖通訊的基礎功能，逐漸向外發展。隨時間推進，矽光子的用途變得更廣，並往運算領域發展，而現在更踏入光學感應器的領域。製造商為無晶圓廠公司提供代工服務，擴大了這項技術的應用範圍。隨著製造能力提升和應用組合逐漸增加，設計與模擬工具的功能也有所改善，可支援更複雜且效率更高的設計。

新一代的單晶裝置 (包括電子和光子積體電路) 將利用混合式製造方法，引進矽以外的物質來製造裝置。這類裝置也會使用更精準的製造方法、更小的特徵尺寸，以及先進的半導體封裝方法。這些改變將增加資料通訊和高效能運算應用的頻寬和資料傳輸速度，並可能為光學感應技術帶來變革。

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