通訊/感測商機無窮　矽光子技術六大應用發威

光電傳統三大應用為「光通訊、光顯示、光儲存」，隨著矽光子技術逐步發展，光電積體電路應用領域不斷增加，除了在光通訊網路藉由高速傳輸成為資料中心救星，面對逐步普及的5G行動通訊技術，也可協助FR2毫米波高頻傳播；在感測方面應用同樣多元，既可用於車載光達(LiDAR)，微縮化的晶片也能縮小光纖陀螺儀(FOG)體積。此外，感測技術可和各專業領域結合，例如生醫感測可用於醫療檢測，在可預見的高齡化趨勢下成為重要技術。放眼未來，尚處於學術研究階段的量子技術也能善用矽光子優勢，以進行量子通訊及運算。

光通訊應用依舊強勢

愛立信2022年12月發布的行動趨勢報告顯示，全球行動資料流量在過去兩年翻倍成長，預計2028年將較2022年成長近4倍，達到每月325EB。這說明資料中心的傳輸壓力只增不減，超大規模資料中心(Hyperscale Data Center)隨之增加。資料中心交換器結合矽光子技術已成趨勢，隨著800G光收發模組誕生，交換器的容量持續成長，現在借助矽光子技術，已經能夠實現1.6Tbps的總傳輸速率。

資料中心互聯(DCI)需要在分散各地的資料中心傳輸大量資料，也逐漸成為光通訊熱門應用。長距離傳輸時，同調光通訊相較直接調變光通訊技術具有顯著優勢，能夠使用同時調變光相位與振幅之正交振幅調變(QAM)訊號格式，既可以提升傳輸速率，亦可大幅延長傳輸距離，矽光子同調光纖收發器未來可望成為極具潛力的市場。

回過頭看造成資料流量大幅上升的新世代行動通訊5G，其FR2毫米波頻段長期苦於高頻損耗大、傳輸距離短的物理特性，又因為容易受到物體阻擋而難以直接在室內接收戶外基地台的毫米波訊號，需要降低頻率或轉接有線網路。考慮到這項挑戰，基於光纖通訊的光載毫米波(mmWave over Fiber)成為5G關注焦點之一。由於光載毫米波天線需要複雜的射頻電路及高速的類比光電轉換介面，若能善用CMOS積體化製程技術進行整合，不但能簡化產品複雜度快速商品化，也能降低成本讓毫米波技術發揮應有價值。

光感測助攻未來新興應用

先進駕駛輔助系統(ADAS)發展如火如荼，為了提高車輛自駕程度Level Up，環境感測能力至關重要。在光感測領域中，光達因其感測精準度而被視為自駕車發展關鍵，然而，光達高昂的成本及複雜技術結構也讓商業化採用陷入瓶頸。在此現況下，矽光子技術能夠協助整合元件降低成本，縮小的體積也方便業者將其應用於需要多顆感測器的自駕車應用。

除了自駕車，無人機及其周邊市場近年同樣成長飛速，受到地緣政治局勢影響，軍用無人機的需求也跟著逐步攀升，而無人載具上的許多功能都需要運用陀螺儀來感測方向、追蹤位置。目前飛機上使用的陀螺儀體積龐大，並不適用於無人機這類小型消費性裝置。現有陀螺儀應用場域受到體積和成本限制，採用矽光子技術可望打破現況，而採用矽光子技術的低成本光纖陀螺儀出現，將可進一步帶動新應用服務現身。

光感測也能順應社會變化，結合其他技術形成應用新選擇。例如，人口高齡化的全球趨勢讓老年照護議題越發受到社會關注，如何普及家用醫療檢測系統並提高精準度是生醫感測長期發展重點。矽光子能夠加值光學同調斷層掃描(OCT)技術，實現高解析度檢測，並可結合AI等技術整合為完整系統，推動生醫感測發展。

矽光搭檔下一站：量子應用

不只既有應用想藉矽光子達成更高性能，還處於理論階段的量子技術也將目光落在便宜好用的矽製程技術。量子位元(Quantum Bit)是量子電腦的計量單位，超導(Superconductor)和離子阱(Ion Trap)為常見量子位元，不過兩者皆受到溫度限制，導致實際採用十分困難，而光子(Photonics)能夠在常溫下運作，並且在路徑、頻率等面向具備一定自由度，成為量子位元值得考慮的選擇(圖1)。

量子光學(Quantum Photonic)包含三大階段：光子產生(Photon Generation)、光子操作(Photon Operation)、光子偵測(Photon Detection)，並在各個階段具有尚待克服的挑戰。此外，量子光學十分強調低損耗，一旦損耗過高，很有可能會因此遺漏重要資訊。光子能夠與CMOS製程相容的特性成為加分項，儘管因此需要解決製程上出錯及變量，依舊值得挑戰。矽光子技術的成熟也讓基於矽平台的量子光學躍躍欲試。

矽光子加值應用創新

矽光子技術持續發展，將光源與矽製程整合的思考方式為許多應用打開另一扇窗，突破既有限制。大體來看，光通訊不可忽視的市場需求將持續作為矽光子產業的驅動力，近年話題熱度持續的自駕車和無人機等新興應用也將繼續擁抱新技術，探索矽光子應用可能。量子應用雖然離真正商業化還有一段距離，卻也已經將矽光子視為量子通訊、量子運算的潛力平台。可以想見在不遠的將來，矽光子應用範疇將越來越廣，以微縮化積體電路帶領新應用向前。