【科技小辭典】AI時代的光速引擎 矽光子原理、優勢與技術挑戰

記者孫敬／台北報導

隨著人工智慧（AI）、高效能運算（HPC）及資料中心需求的爆炸式成長，半導體產業正面臨前所未有的挑戰。傳統電子訊號在高速、大量資料傳輸時，因銅線導體的物理限制，頻寬飽和、功耗過高、訊號衰減等問題日益嚴重，摩爾定律的效益也逐漸趨緩，矽光子技術因此成為解決這些瓶頸的關鍵方案。

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矽光子技術的崛起與產業背景

矽光子（Silicon Photonics）利用光子代替電子作為訊號傳輸載體，將光學元件與電子電路高度整合於同一矽晶片上，帶來高速、低功耗與高整合度的突破。這項技術不僅能提升資料中心內部及伺服器間的傳輸速率，也為AI運算與未來晶片間通訊開啟全新可能。

矽光子技術的發展得益於成熟的矽基半導體製程，尤其是SOI（Silicon-On-Insulator）晶圓的應用，使得光波導、調變器、光偵測器等光學元件能夠在矽晶圓上微縮製造，實現與電子元件的無縫整合。全球半導體產業鏈，包括台積電、日月光、聯鈞等台灣廠商，以及Intel、Cisco、Broadcom等國際大廠，均積極投入矽光子技術的研發與量產，國際半導體產業協會（SEMI）也成立矽光子產業聯盟，整合產業、學術與政府資源，推動標準制定與技術創新，並預估到2030年市場規模將達數十億美元，年複合成長率超過20%。

矽光子的核心原理與系統整合

矽光子技術的基礎是利用矽晶圓製作光波導，將光訊號導引於晶片內部，取代傳統銅線傳輸。光波導的高折射率（約3.5）使光能有效束縛於矽晶片中，尤其適用於1.3至1.55微米的紅外波段光訊號。光調變器負責將電子訊號轉換成光訊號，透過改變光的強度或相位來編碼資訊；光偵測器則將接收到的光訊號轉回電訊號，供後端電子電路處理。

由於矽本身是間接能隙材料，無法直接產生雷射光，矽光子技術採用異質整合（Heterogeneous Integration）方式，將III-V族半導體雷射晶片（如砷化鎵GaAs或磷化銦InP）與矽晶圓結合，克服矽材料的發光限制。這種整合製程技術要求極高的材料兼容性與製程精度，目前業界已能實現雷射晶片與矽基板的高效結合，雷射調變速度可達數十GHz，損耗控制在低於1 dB/cm的水平，功耗顯著降低。

另外，共同封裝光學（Co-Packaged Optics, CPO）技術是矽光子系統整合的另一突破，CPO將光電模組與處理器晶片緊密封裝，將電訊號轉換為光訊號的環節提前，縮短電子訊號傳輸距離，降低延遲與功耗。Intel、Cisco等大廠已在資料中心伺服器中實現CPO技術，顯著提升系統整體效能。這種高度整合的設計不僅提升了傳輸速率，也降低了系統散熱壓力。

此外，矽光子技術與成熟的CMOS製程兼容，能利用現有半導體製造設備實現大規模量產，降低成本，並促進光子積體電路（PIC）與電子積體電路（EIC）的深度整合。這使得矽光子不僅適用於資料中心短距離高速通訊，也具備未來晶片間光學互連的潛力，有望取代印刷電路板上的銅導線，實現晶片級高速光互連。

矽光子技術挑戰與未來發展趨勢

儘管矽光子技術具備顯著優勢，其商用化與大規模部署仍面臨多重挑戰。首先，光源的異質整合製程極其複雜，材料間熱膨脹係數差異及界面缺陷，影響雷射穩定性與壽命，是技術瓶頸之一。其次，光波導與外部光纖的精密對準要求極高，封裝過程中的奈米級對位誤差會導致訊號損耗，增加良率與成本壓力。此外，高密度光子元件中的熱管理依然嚴峻，局部熱點可能影響元件性能與系統穩定性。

封裝與測試技術的成熟度直接影響矽光子產品的市場推廣速度，由於光子元件與電子元件需在極小空間內精密整合，封裝過程複雜且成本高昂，如何實現高良率、低成本的封裝成為產業關注焦點。維護與維修的便捷性亦是未來需考量的問題，特別是在伺服器模組層級，光子元件的更換與故障排除相較電子元件更具挑戰。

為突破這些瓶頸，國際與台灣產業界積極推動跨領域合作，成立專案小組聚焦系統設計、異質整合、先進封裝與製程自動化等關鍵技術。新材料的研究，如氮化矽、鈮酸鋰及石墨烯等，也被視為提升調變速度與降低功耗的潛力方向。設計自動化工具的進步亦有助於提升矽光子晶片設計效率與良率。

展望未來，隨著技術成熟與標準化推進，矽光子將在資料中心、AI運算、5G/6G通訊、車用LiDAR、生醫感測等多個領域實現廣泛應用，推動半導體產業進入光子互連的全新時代。

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