隨著生成式人工智能的崛起，數據傳輸需求亦呈現爆發式增長。而在此背景下，臺積電在半導體展覽上披露的硅光子（SiPh：Silicon Photonics）技術進展，更是將硅光子推向了風口浪尖，成為了市場的寵兒。

硅光子技術的嶄露頭角，無疑為整個行業注入了新的活力。其獨特的優勢和應用前景，讓人們對未來的科技發展充滿了期待。隨著技術的不斷進步，硅光子有望成為引領未來數據傳輸領域的重要力量。

什么是硅光子

目前的電腦都是使用電信號進行數據運算，可以使用電信號或光信號進行數據傳輸，由于光信號的頻寬比電信號高出許多，因此數據中心的服務器之間目前大多使用光信號傳輸，服務器會先經由“光發射模組”將電信號的“開與關”轉換成光信號的“亮與暗”再送入光纖，傳送到接收端再經由“光接收模組”將光信號的“亮與暗”轉換成電信號的“開與關”，如下圖所示。

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可以傳遞電磁波信號的介質稱為“波導(Waveguide)”，因為光是一種電磁波，因此可以傳導光的介質稱為“光波導(Optical waveguide)”，光纖(Fiber)是用來傳遞光信號最基本的光學元件，因此光纖就是一種光波導，但是光通信系統必須處理光信號的分光、合光、切換、調變等，因此除了光纖以外，仍然需要其它可以處理光信號的元件，我們稱為“光波導元件”或“集成光學(OIC：Optical Integrated Circuit)”。

制作集成光學元件的主要材料有“氧化硅（Silica）”與“硅（Silicon）”兩種：

氧化硅（Silica） ：折射率大約1.5，是石英或玻璃的主要成分，其中二氧化硅的單晶又稱為“石英（Quartz）”，二氧化硅的非晶又稱為“石英玻璃”，外觀呈透明無色，另外一種光學性質與氧化硅很像的材料是“玻璃（Glass）”，玻璃是氧化鉀、氧化鈉、氧化硅的混合物，外觀呈透明無色，由于是混合物，光穿透時損耗比較大，這些材料的光學性質都不錯，可以直接在上面制作折射率較大的光波導。

硅（Silicon）：折射率大約3.5，就是晶圓廠使用的硅晶圓，雖然硅晶圓在外觀上不透明，看起來光波好像無法穿透，但是光通訊產業所使用的光源都是“紅外光”，紅外光可以穿透硅晶圓，只是損耗比較大而已，由于硅晶圓的制程比較成熟，所以許多公司都試著發展這種技術，使用硅晶圓做為光波導元件再整合其他主動與被動光學元件通稱為“硅光子（Silicon photonics）”。

簡單地說，目前產業上都是使用硅晶片來制作運算元件， 未來如果能夠把處理光信號的“光波導元件”整合到硅晶片上，讓硅晶片同時處理電信號的運算與光信號的傳輸，就稱為“硅光子（Silicon photonics）” ，這不僅可以縮小元件尺寸，減少耗電量，更能夠降低成本，但是目前這種硅光子元件門檻較高，技術還不成熟。

傳統光收發模組，是低階的封裝技術

目前商業上已經成熟量產的“光收發模組（Optical transceiver）”是結合“光模塊發射（TOSA）”與“光接收組件（ROSA）”。

光模塊發射（TOSA：Transmitter Optical Sub-Assembly） ：將左側金手指輸入的電信號，經由雷射驅動器來驅動雷射二極體（LD）轉換成光信號，傳送到右側的光纖輸出。

光接收組件（ROSA：Receiver Optical Sub-Assembly） ：將右側光纖輸入的光信號，經由光偵測器(PD)與轉阻放大器(TIA)轉換成電信號，傳送到左側的金手指輸出。

傳統光收發模組的內部組成與外觀構造

傳統光收發模組的內部組成與外觀構造

由上圖可以看出，目前商業上已經成熟量產的光收發模組都是基礎的封裝技術，用圖中綠色的印刷電路板（PCB）結合雷射二極體（LD）與光偵測器（PD）等元件，金屬走線距離長，元件尺寸大，耗電量高。而硅光子元件門檻較高，技術還不成熟，因此專家們想到，可以使用“先進封裝”的方式，把運算用的硅晶片與光收發模組包裝在一起，我們稱為“共同封裝光學（CPO：Co-Packaged Optics）”。

共同封裝光學，是硅光子的前哨站

傳統光交換機是將硅晶圓制作的數字交換芯片與光收發模組（Transceiver）使用印刷電路板（PCB）連接起來，交換芯片（黑色）與光收發模組（紅色）距離較遠，元件尺寸大耗電量高，如下圖a所示；而共同封裝光學（CPO）是將硅晶圓制作的數字交換芯片（黑色）與光收發模組（紅色）直接利用先進封裝包裝在一起，元件尺寸小耗電量低，如下圖b所示。

傳統插拔式光收發模組（Transceiver）與共同封裝光學（CPO）示意圖。

而臺積電很早就投入這個領域，針對數據中心市場推出了新型的先進封裝技術“緊湊通用光子引擎（COUPE：Compact Universal Photonic Engine）”。

下圖是思科（CISCO）與智邦（Accton）合作開發的光交換器，圖中的數字交換芯片就是使用共同封裝光學（CPO）技術將數字交換芯片與光收發模組包裝在一起，取代傳統的插拔式光收發模組，并以外接雷射的方式提供硅光子晶片光源，但是其中最關鍵的共同封裝光學技術大部分是掌握在國外廠商手中，例如英特爾、博通、Cisco/Luxtera/Lightwire/Acacia、Juniper/Aurrion等。

使用共同封裝光學CPO制作的光交換機

硅光子可以應用在什么領域？

硅光子（SiPh）技術泛指將許多原本是分立的電子元件與光學元件，利用成熟的硅晶圓與半導體制程，制作成微型化的晶片，用來取代傳統“光收發模組（Optical transceiver）”，目前主要應用在數據中心做為短距離傳輸資料，或是應用在長矩離光纖網絡。

未來如果硅光子技術成熟，甚至可以取代現在的印刷電路板或導線載板上的銅導線，用光信號取代電信號，應用在芯片到芯片之間的數據傳輸，可以有效提高元件密度、縮小元件體積，增加傳輸速率，提高可靠性與良率，同時由于使用硅晶圓制作，可以兼具量產與成本優勢。