一、以光電訊號整合來降低AI模型資料傳輸延遲的問題
隨著AI模型持續在資料中心的應用擴增，加上5G等無線通訊技術，造成終端裝置所擷取的大量的資訊在短時間傳輸進入資料中心當中。為此傳輸網路的頻寬需求逐漸攀升，資料中心內部所使用的傳統光收發模組的傳輸速率已面臨瓶頸，若無進一步改善方案，資料中心訊息傳輸所引發的訊號延遲、模組功率消耗、營運成本上升…等狀況，將成為無可避免的問題。
原因在於隨著處理的資料量的增加，功耗也會同步遞增，一直以來為因應資料量快速增加而導致的功耗遞增的處理方案是藉由半導體線路的微細化來改善。然而，半導體的微細化無法漫無目的的進行微縮，物理極限正造成技術難度不斷增加，因此以光電融合技術，藉由光訊號進行傳輸來做為抑制功耗增加的解決方案再次受到全球關注。
近年來在光通訊進步的推動下，矽光子(Silicon Photonics)這樣的光電融合技術有了更具體的改善與創新，藉由混合使用電訊號和光訊號的架構為基礎，透過高能量的光源做為傳輸機制，在伺服器主機板進行訊號傳輸，這樣做可以有效避免僅靠電訊號傳輸資訊時，當傳輸距離過長或頻率提高的狀態下，所產生的熱量造成interconnect resistance，同時加大訊號延遲現象，可消除效能瓶頸並緩解功耗增加的問題。
二、從日本NTT IOWN計畫來看矽光子技術發展進程
IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)是日本NTT推出的光通訊技術，具有更快的速度、更低的延遲和更低的功耗。在低功耗部分的目標，是達到相較現今傳輸機制的「100倍的功率效率」，並使用光纖、光(波長)穿透和光電融合元件等基本技術來加以實現構想。
此外，在「高容量和高品質」的傳輸方面，該公司的目標是透過使用波長(光訊號)多重化技術，實現相當於每根光纖1000 Tbps速度的「傳輸容量的125倍」的目標。另外藉由以波長為單位傳輸資料的方法，消除了資料等待處理的時間，並且採用非壓縮資料型態進行資料傳輸，實現end to end延遲縮減為原先1/200的「低延遲」目標。
其光電融合元件的開發有三階段，簡要敘述如下：
(一)第一階段：在伺服器的印刷電路板上安裝光的transceiver ，進行光電轉換
目前依據NTT在IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)的概念，其第一階段目標為：在伺服器的印刷電路板上安裝光的transceiver ，進行光電轉換。Silicon photonics利用現有的半導體CMOS生產線，在Si基板上整合光波導、light modulator、光電二極體、III-V族雷射等光學元件的技術。可以利用現有的半導體製程技術使用單晶片來實現尺寸縮小與和成本刪減(圖一)。
(二)第二階段：將Silicon photonics晶片嵌入至半導體封裝
NTT IOWN計畫第二階段發展目標則為：將Silicon photonics晶片嵌入至半導體封裝。由於電訊號在封裝完成的晶片內流動，因此處理器封裝之間或處理器封裝與記憶體封裝之間的資料傳輸可以更快且消耗更少的功率。
(三)第三階段：實現晶片內光通訊的機制
NTT IOWN計畫第三階段發展目標為：實現晶片內光通訊的機制。其原理是使用光配線連接晶片內的核心，可以比傳統的連接方式實現更高的速度和更低的功耗。未來隨著技術的發展，直接從CPU、GPU，以及記憶體之間，實現大容量光訊號的輸入和輸出，達到真正的高速晶片內光通訊的機能。
資料來源：NTT；工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2025/04)
圖一 日本NTT IOWN計畫發展Roadmap
三、矽光子元件發展課題
(一)光源
矽光子晶片由電晶體和金屬佈線組成，而光通訊則需要光源、光電探測器、光波導、調變器和濾波器等多種元件。由於這些裝置原本是以應用其他光學領域當中的元件各自獨立發展的，許多裝置與晶片製造所使用的CMOS製程技術在本質上不相容，因此也構成設計與製造上的難度。
由於Si材料無法有效發光，必須依賴外加雷射光源或異質整合之發光層，才能產生傳輸所需光源。目前，矽光子元件主要採用的是將光源置於晶片外部的架構，因此需要所謂的光纖耦合元件來將光源耦合到光纖，並且將光纖耦合到晶片，由於介面的轉換，因此有效的控制耦合損耗是設計上必須克服的第一個問題。
未來NTT的技術目標為嘗試整合晶片與光源，將其平面化，並且與COMS製程有效整合。目前NTT 實驗室正在開發薄膜雷射技術，其中P型半導體和N型半導體橫向接合，因發光面積可以比傳統的垂直雷射更小，薄膜雷射可以用更低的功耗驅動。而薄膜雷射在水平方向而不是垂直方向具有PN接合，因此總薄膜厚度可縮小至230 nm。同時，由於與矽的熱膨脹係數差異小而不至於形變，因此薄膜雷射可以直接整合到Si基板。
(二)Si光波導元件加工
在矽光子元件架構的設計上，另外一個挑戰來自光波導設計。因光波導設計需要更小的光學引擎，這需要精確控制在Si基板上的Core層(光的路徑)的折射率。在Core層加工的過程中，因為尺寸極小，即使是奈米等級的微小尺寸誤差也會顯著改變有效折射率，造成光波長的變動。即使輕微的加工精度偏移也會造成極大的散射損耗，因此，為了降低波導損耗，加工時需要較高的形狀精度，將Core層側壁的凹凸抑制在1nm左右以下。
由於光波導的結構與過去Foundry廠所擅長的電路導線加工的型態完全不同，因此Foundry廠在進入矽光子元件製造業務時，需強化石英玻璃基板上形成光路的 PLC(Planar Lightwave Circuit)方面的光學專業知識。
四、重要業者在矽光子技術發展現況
(一)Cisco
Cisco的矽光子產品主要在Secure、 Agile Networks、Internet for the Future business 部門銷售。其中Secure、 Agile Networks部門由企業路由、交換、無線和運算產品的核心網路技術所組成，包括軟體授權和 SaaS。而Internet for the Future business：由Si、5G、routed optical networking和光學解決方案組成。
2023年思科於6月公布Cisco Silicon One G200交換器，採用CPO技術，頻寬達到每秒51.2 Tb，目前幾家主要的雲端服務供應商，如亞馬遜(AMZN)、谷歌(GOOG)及微軟(MSFT)等正在測試G200，不過並未傳出正式出貨的時間點。
(二)GlobalFoundries
GlobalFoundries 在2018 年放棄 7nm製程，同時停止 10nm以下研究開發，轉研究矽光子。2022年推出結合光子與RF-CMOS的單晶片(monolithic)矽光子平台Fotonix，並與Broadcom、Ayar Lab、Cisco、Marvell、NVIDIA、Macom等業者合作。
公司所推出的Fotonix平台結合自有12吋photonics features晶圓與300GHz級RF-CMOS，可以大規模提供同級最佳效能。可在單一矽晶片上結合光子系統、RF元件，和高效能CMOS邏輯元件。2024年，GlobalFoundries宣布與以色列矽光子新創公司Teramount進行策略合作，將Teramount開發的通用光子耦合器(universal photonic coupler)，整合至GlobalFoundries單晶片矽光子平台Fotonix中，以進一步提高矽光子晶片之效能。此項技術預計將可應用在高效能運算和AI應用，並提供超級電腦、量子運算、光纖網路、光纖到府(FTTH)、5G網路、航空、國防等領域的解決方案之用。
五、結論
矽光子技術與傳統以電訊號方式傳輸的機制相比，預期能將傳輸速度提升至100 Gbps，這樣的概念將協助未來AI、HPC等運算模型實現高速資料傳輸和處理。矽光子技術市場成長動力來自於資料中心高速資料傳輸與降低功耗的需求，以光電訊號整合來降低AI模型資料傳輸延遲的問題。
除了資料中心內部高速通訊之用外，矽光子技術也提供了晶片間的通訊革新。因傳統的晶片到晶片通訊使用電子訊號，其傳輸速度和頻寬受到限制，進而造成功耗與發熱的問題。而矽光子技術透過光訊號的傳遞，可實現高速、高效、低能耗的晶片間通訊，減少了整個系統的能耗，也有助於降低營運成本。
使用光訊號的晶片間通訊比電子訊號快得多，可以降低大量資料傳輸時所造成的延遲，這使得矽光子技術在需要即時處理大量資料的應用上具有顯著的優勢。其中高效能運算和AI領域等領域的應用更是備受期待。
在技術發展上，矽光子製程技術發展課題在於光波導設計、低成本自動化量產技術的發展以及關鍵元件(雷射光源)的開發。在光源與光訊號整合的部分目前矽光子元件必須克服耦合損耗是設計上必須克服的問題。此外在光波導的部分，如何提高Core層加工的精度，才能有效降低波導損耗，實現高效率的訊號傳遞。