一、前言
具體而言，半導體業界主要以PPAC（功耗、性能、面積、成本）標準衡量晶片的綜合表現，如美商應材的價值主張就是PPAC的推動者。而改善PPAC主要有三種路徑：第一種是遵循摩爾定律，即製程持續微縮；第二種是超越摩爾，如以小晶片、矽光子、第三類半導體，改善PPAC；第三種是仍處於基礎、理論研究的超越CMOS領域，例如量子晶片、新計算架構、新記憶體等。換言之，矽光子技術在半導體領域之重要性在於，矽光子成為超越摩爾（More than Moore）的重要策略之一。為此，本篇目標在於探討未來矽光子的技術發展脈絡，以及介紹具有發展機會的市場應用商機，供未來國內發展之參考。
二、矽光子的介紹說明
矽光子（Silicon Photonics）科技，將原本在晶片裡的電訊號，改為光訊號，形成光電整合平台，又稱光積體電路。矽光子可沿用成熟製程與機台設備（40奈米~90奈米），製造出複雜的光積體電路，透過較低成本方式實現複雜光電系統與功能。如前所述，矽光子技術是一種在矽晶圓上整合電子和光學晶片，協助原先只能處理電訊號的矽晶片，有能力做到光電轉換和傳送接收光訊號的能力，並透過更先進的半導體製程來降低光電元件的體積和製造成本。
光子積體電路（Photonic integrated circuits, PICs）是指使用光子來傳輸與處理訊號的積體光路，有別於目前已成熟發展的積體電路。由於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，提高可靠度等顯著優勢，其應用已從光通訊的光收發模組擴展至先進光感測系統，並已有一些商品化成功案例。隨著國際大廠的投入，矽光子積體電路的發展日益成熟，2012年，IBM宣布成功研製出實用化的矽光學晶片；2016年，英特爾宣布矽光子光電傳輸器將開始大規模出貨；2017年，矽光子公司Luxtera宣布與台積電共同發展下世代的矽光子技術。
三、矽光子積體電路的元件類型
矽光子積體電路內部可分為三類元件[1]：第一種是被動元件，包括光波導、方向耦合器、馬赫─倫德爾干涉儀、環型共振腔、Optical I/O（包含光柵耦合器和邊緣耦合器）等；第二種是主動元件，包括調變器、光檢測器、雷射等；第三種是電子元件，包括轉阻放大器、ASIC、驅動IC等。以下針對較重要元件的功能及發展概況做說明。圖1顯示基本被動和主動元件（輸入/輸出合器、混合光源、調製器、被動功能和光電偵測器）的整合狀況，目前開發已經達到不錯的性能。這些構件的組合有機會帶動高性能收發器的開發和商業化，如具有主動元件的光子晶片連接到電子驅動或放大器。
資料來源：林銘偉(2019)，CMOS矽光子技術發展與臺灣半導體研究中心矽光子服務平台，微系統暨奈米科技協會會刊41期， P15 - 19。
圖1 矽光子技術的基礎元件類型：主被動元件和電子元件
四、矽光子積體電路：具備技術優勢和可沿用既有半導體製程
矽光子融合了光學、CMOS製程技術和先進封裝技術，此技術組合可得力於既有半導體晶圓製造的可擴展性，並不需要另闢特殊的生產製程、產線或者特殊工具，便可在既有的CMOS製程中調校後運行，主要使用90、65、40奈米製程。換言之，矽光子就是將原本在晶片裡面跑的「電訊號」，改為用「光訊號」來運作，形成的光電整合平台，又稱光積體電路。可沿用既有的成熟製程與機台打造，透過低成本方式實現複雜光電系統與功能。
矽光子（矽基光子集成）晶片的技術優勢在於，藉由矽製程將大量光學元件整合於奈米等級的晶片上，以光波導取代金屬線（光進、銅退），以光傳輸改善傳統電傳輸的速率、頻寬、發熱等問題（光傳、電算）。技術優勢如：一、透過半導體製程整合光子技術；二、可大規模製造、高精度、PPAC佳（晶片效能、功耗、面積成本）。發展障礙如：一、矽基光波導與光纖耦合效率低；二、受限於封裝複雜，整體製造技術不成熟；三、矽基為低效率光源，目前應用侷限於資料中心、電信傳輸。
但未來如果臺灣要發展矽光子，預計可大幅受惠於臺灣半導體產業的互補式金氧半導體（CMOS）製程平台，因為臺灣在全球半導體生產製造取得技術領先地位。矽光子科技採用CMOS製程最大的優點在於[2]，其採用的標準材料和製程，促使半導體製造商能夠確保低成本和高產出率，進而製造大規模電子電路。但未來仍會面臨製程挑戰，如異質整合（材料）、封裝和元件整合等問題，如光通訊元件須微縮到能直接與晶片整合，才能降低延遲與成本。
五、矽光子技術應用：光通訊或高性能微電路的光學互連為主
近年來，基於矽的光子應用科學獲得越來越多的關注與青睞，主要是應用於光學通訊或高性能微電子電路的光學互連。連接、感測和運算是矽光子最主要的三大應用領域。因此，矽光子技術主要應用可分為三種類型：1.光收發器（Optical transceiver）、2.感測（Sensing）和3.高效能運算（HPC）。
光收發器部分為用於數據交換的光連結，有機會在短中期內主導矽光子市場，由於數據中心對高速數據傳輸的需求不斷增加。其中，發展最成熟的是資料中心互連（DCI）收發器在內的連接領域，涉及資料中心、高效能資料交換、長距離互連、5G基礎設施等多個熱門產業。
光感測器部分為應用於環境測量或是識別的光學物理，如自動駕駛車用光達、可穿戴生物感測。以醫療保健監測的矽光子光學技術，源於光可以照射到組織和血管上以監測、檢測和量化生物標記。因此，有機會應用於低成本、小尺寸醫療設備和針對消費電子市場的穿戴式裝置。
光運算部分則是有潛力應用於量子科技。背後原因在於量子位元（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。
資料來源：Yole intelligence, (2022), Silicon Photonics 2022 Report。
圖2 矽光子三大應用：連接、感測和計算
近期因為人工智慧與機器學習應用的興起，順勢帶動矽光子需求。因為雲端和AI應用頻寬需求急，既有的積體電路已經無法滿足使用，希望利用光子取代電子在積體電路裡面進行運算。因此未來趨勢將逐漸走向「積體電路運算，積體光路傳送」，光傳輸元件將可扮演加快傳輸速率的角色。根據Maximize Market Research的2023年市場預估，請參見圖3，未來幾年矽光子的重要市場應用仍然是以資料中心和高效預算為主，通訊應用次之。主要市場則是美國為大宗，超過半數。其次則為歐洲市場和亞洲市場。
其中，矽光子應用於AI實例如：2023年輝達加碼投資位於美國加州的矽光子新創Ayar Labs，該公司主要技術是共同封裝光學元件（Co-packaged optics, CPO）領域，其特色在於解決熱管理、功耗、頻寬和高速光學互連中端口密度的挑戰。矽光子重要性日趨上升的背後原因在於[3]，因為與資料中心網路不同，AI/ML系統對功率及延遲的要求極高，幾乎不可能進行數位訊號處理，為此將有機會帶動超低延遲光通訊需求。2023年秋季相關新聞資訊顯示，台積電已經積極籌組研發團隊，投入矽光子製程研發；同時也和潛在國際客戶如博通（Broadcom）與輝達（NVIDIA）開發基於矽光子技術的新產品，預計最快2025年進入量產階段。由此可見，此技術應用的未來潛力和商機。
資料來源：Maximize Market Research (2023)，Silicon Photonics Market: Industry Analysis and Forecast (2023-2029)。
圖3 2023~2029年的矽光子市場預測
六、市場預測：目前市場相對較小，屬利基應用型晶片產品
據2022年Yole intelligence報告，2021年產值預估1.52億美元，2027年成長為9.72億美元，年複合成長率約36%，目前矽光子主要市場是光通訊，佔數據通信光收發器市場20%以上。整體而言，相較其他晶片市場，目前矽光子晶片市場相對較小，屬於利基應用型晶片產品。2023年IDTechEx調查矽光子新創所屬產業中，資訊與通訊產業比例最高，接近半數；其次是農業應用和生物醫學應用；其他產業則有汽車、能源與環境、智慧城市與生活、智慧工廠等。
目前矽光子學主要市場是光通信，未來具有潛力的市場應用，依成長可能性排序分別為：資料收發中心收發器、光運算處理器、消費性醫療、共同封裝引擎、長距離收發器、光學連接、免疫分析、5G收發器、光學連接、光纖陀螺儀等。由上可見，數據中心有望佔據最大的市場份額，在大型數據中心和5G技術的需求推動下，受惠於矽光子技術，可實現更小型尺寸、更高頻寬和更高電源效率，預計未來幾年矽光子收發器的市場仍具有顯著的成長潛力。
資料來源：Yole intelligence, (2022), Silicon Photonics 2022 Report。
圖4 矽光子2021至2027年應用趨勢預測：Yole研究報告
七、小結：矽光子未來潛力與對臺灣的重要性
綜整上述，目前產業發展階段在於開發基礎化元件和開發元件階段，需要等元件整合後，才能進入規模化量產和製程階段，尚屬於早期開發階段。但由於矽光子與微電子電路本質上的差異與優勢，研究報告與市場調查認為將來市場會越來越大，即便現在的產值與產品數量有限。例如：目前NVIDIA、思科和高通等國際大廠已陸續投入矽光子領域。未來隨著光學元件的應用場景的增加，元件未來組數可能從上百個發展到上千個。因為客製化程度高，有一定產業進入難度，有利於整個產業的長久發展。而臺灣的發展契機在於臺灣CMOS製程半導體製程成熟，具備完整半導體產業鏈。建議國內相關部會未來可謹慎評估矽光子市場與應用的商機，持續觀察適合臺灣產業與廠商的市場機會點。