AI 人工智慧 IoT 5G 5G NR ITRS 矽光子 Silicon Photonics Photonic Integrated Circuits 光子積體電路 Photodetector Modulator Mux/DeMux Optical Filter Splitter Combiner Optical Coupling Interferometer Polarization Diversity

從電子走向光子 矽光子引領台灣半導體業未來

2020-01-07
國際半導體技術發展藍圖ITRS 2.0已經將矽光子(Silicon Photonics)技術列為重要關鍵技術,由於其可實現高速光電轉換、傳輸與光譜訊號處理等功能,並具備大幅縮減模組尺寸,降低功率消耗和成本,提高可靠度等優勢,預期光子技術應用將成為下一個高科技明日之星。

人工智慧(AI)、物聯網(IoT)、5G等產業新興趨勢帶動網路應用成長,尤其網路資料量幾乎呈現等比級數式的發展,高畫質影音的應用越來越普遍,也導致網路頻寬需求的成長,從骨幹到終端,都將持續擴充與升級,目前光纖骨幹網路已逐漸從100G升級到400G,未來幾年預計將朝800G與更高頻寬發展。

以網路頻寬的需求來看電子系統訊號的處理,高頻寬自然需要透過更高速的訊號處理來達成,過去我們以電子來傳送數位資料,未來使用光子來傳輸與處理訊號是高頻寬時代的趨勢。國際半導體技術發展藍圖(International Technology Roadmap of Semiconductors, ITRS)2.0已經將矽光子(Silicon Photonics)技術列為重要關鍵技術,由於其可實現高速光電轉換、傳輸與光譜訊號處理等功能,並具備大幅縮減模組尺寸,降低功率消耗和成本,提高可靠度等優勢,已吸引國際大廠積極投入布局,預期光子技術應用將成為下一個高科技明日之星。

光子積體電路深具產業潛力

台灣半導體製造技術尤其是台積電的晶圓代工業務,技術具全球領先地位,整體半導體製造產業鏈完整且成熟,發展光子積體電路(Photonic Integrated Circuits, PICs)具有良好的基礎,傳統的光電應用為光通訊、光顯示、光儲存,矽光子技術是結合光技術的優勢,如高速、高頻、低能量損耗等,應用領域則包括資料中心、高效能運算(High Performance Computing, HPC)、電信、消費性、感測/生物感測、航太、量子運算(Quantum Computing)等,大多都是未來前瞻且具高度潛力的領域。

光子積體電路主要是將光學元件透過半導體技術積體化,讓其可以享受半導體製程微縮並快速提升效率與降低成本的好處,光學元件依照用途由許多零組件構成,矽光子技術分為兩個層面,一為光電元件,包含被動積體光學元件、主動光電元件(圖1)、光電晶片構裝與測試技術;另一為與其他感測器或電路整合成光電系統晶片。光學主動元件如雷射光源、光接收器(Photodetector)、調變器(Modulator);被動元件有多工/解多工器(Mux/DeMux)、光濾波器(Optical Filter)、分路/合路器(Splitter/Combiner)、光耦合器(Optical Coupling)、干涉器/光開關(Interferometer/Switch)、極化控制器(Polarization Diversity)等。

圖1 光子積體電路主被動元件
資料來源:Intel

而實際上光子積體電路則是依照實際應用需求再設計主被動電路,光子積體電路的困難之處在於,要將原先的實體元件轉變成半導體電路,這些電路比較接近類比或微機電(MEMS)結構,因此設計難度頗高,部分元件需要高速如光接收器,適合採用如矽鍺(SiGe)這類化合物製程,在與其他矽基電路整合時就會遇到困難,而且光子積體電路因為結構複雜,也需要透過先進製程以有效展現效能。

2018年底為Cisco收購的矽光子晶片領導廠商Luxtera,已與台積電進行合作,將使用7奈米(nm)製程生產光子積體電路。光電元件積體化目前還屬於發展初期,光子積體電路複雜程度高,電路解析度越高,訊號的精確度越好,元件的效能才能有效發揮,因此光子積體電路的實現需要先進製程的搭配。

矽光子積體電路專案計畫為台灣半導體產業鋪路

台灣半導體製造技術執全球牛耳,晶圓廠CMOS製程技術領先全世界,矽光子技術先天與CMOS製程相匹配,相當適合台灣高科技產業發展。若台積電能透過產能支援與學界合作,對於台灣發展光子積體電路非常有幫助,同時也能協助台灣製造業及早在光子積體電路製程領域練兵,待產業起飛時必能占據最佳的產業地位。

科技部工程司亦於2018年推出旗艦型矽光子專案計畫,規劃四年提撥新台幣3.2億元發展國內矽光子技術。前二年完成核心技術開發與系統晶片架構設計,第三年完成系統晶片製作與性能優化,第四年完成系統展示並能將技術與廠商進行後續之應用與推廣。計畫執行期間將培植國內研發團隊利用矽光子平台整合元件、光路與電路而組成生醫感測、光達以及光連結等應用的光電系統晶片。

本專案計畫擬整合學界研發能量與資源、國研院晶片中心(CIC)的多計畫晶片(MPW)服務、國家奈米元件實驗室(NDL)的客製化製程服務、工研院的量測平台與封裝服務及晶圓廠的製程服務,研究發展以矽光子積體電路技術為基礎的系統應用光電晶片。

長程目標包括:

建立矽光子IC領域完整研發生態鏈

整合學界、晶圓廠、CIC、NDL及工研院資源,建立領先國際的生態鏈,擴展台灣半導體應用領域及市占率。

建立光電系統晶片核心技術

培育光電IC設計人才,研發矽光子主被動元件、矽光子晶片與系統構裝及量測等核心技術,建立自主技術及掌握智財權布局。

促進光電IC設計產業發展

以國內晶圓廠矽光子平台,整合IC設計與光電人才,產學研合作開發創新應用的光電系統整合晶片,促進光電IC設計產業的發展。

提升光電晶片設計能力,拓展產業應用

用矽光電平台整合電路與光電技術,配合政府產業政策,開發在智慧載具、物聯網、智慧生活及下世代網路等產業創新應用。

鏈結國際研發重鎮,提升國際地位

與歐美日等矽光電研究單位與產業界建立互補互利的夥伴關係,合作開發關鍵技術與產業應用,加速提升國際地位。

矽光子積體電路專案計畫為跨領域研究,將結合光電工程、微電子工程、電信工程、生物醫學工程及資訊工程等領域,目前投入五大領域(表1),包括:邁向新世紀1.6兆位元矽光子平台光收發模組之研究、矽光子光載毫米波天線用於5G無線通訊、通訊應用矽晶光電同調收發模組之研究、複合式矽光子陀螺儀晶片與微型化模組開發、基於矽光子技術之快速多模組醫學檢測研發與應用。

每一個技術都有機會成為台灣高科技產業的未來,如同積體電路取代傳統厚膜PCB電路,深具發展潛力的矽光子技術也會為光電、半導體、通訊/電信、生物醫學與資訊工程等產業開創全新的發展,未來本刊將透過此一專欄簡要介紹上述五大計畫的技術發展概況與產業應用潛力,期待能與國內學術與產業界共同見證產業大未來。

(施天從特聘教授為國立高雄科技大學電機與資訊學院院長)

 

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