矽光子產業之市場現況與技術簡介

 

刊登日期:2017/1/5
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為何需要矽光子技術
在 2000年及 2008年,光通訊業曾面臨兩次全球科技泡沫與經濟危機的打擊而產值萎縮,但在大型 CSP 資料中心的傳輸需求出現後,美歐日等先進產業國紛紛再度投入資金進入光通訊領域,以加速由「光」取代「電」作為數據傳輸主力的演變。矽光子( Silicon Photonics )是指藉由將「電訊號」改為「光訊號」來傳遞的積體化晶片,以同時解決之前所言的提高傳輸距離、增加資料頻寬與降低單位能耗三項目的。

因為光本身無電荷、無質量,同一通道內訊號也不相互干擾,損耗/熱量生成低,遠比基於銅導線傳導的技術來的優越。一般光學通訊傳輸波長為 1,310~1,550nm 之間,而矽不會吸收此段波長;又所使用的 SOI ( Silicon On Insulator )技術與傳統矽製程亦高度相容,可以有效降低成本。
 
矽光子主要應用市場
特殊應用—對於醫學檢測而言, 矽光子的傳輸技術可協助遠端醫療,特別是即時影像檢測的遠端判讀與操控;而其整合微型雷射技術的部分,則可用於雷射醫療、雷射生物檢測、光譜分析等;在軍事方面,該技術可讓衛星在太空間進行巨量的資料傳輸,也是美國 National Photonics Initiative 聯盟成立的主要目標,在國防資料鏈傳輸、核設施監測等皆可運用;最後在機器人、地圖地表量測(LiDAR適用領域)及化工業,也都可以看到矽光子技術可發揮之處。
 
矽光子市場現況與近期購併歷史
在 2015年,依據 Markets and Markets 的研究,全球矽光子市場仍處於萌芽階段,規模約 2.176億美元;但在 2022年,該市場可以突破 10億美元的門檻,年複合成長率達 25.7%。若以區域來劃分,由於全球主要 CSP 資料中心仍集中於北美市場,該市場占比 35.7%;亞太區為第二集中區域,占比 31.5%,但年複合成長率則最高(圖一)。

圖一、矽光子市場成長趨勢及全球分區市占率
圖一、矽光子市場成長趨勢及全球分區市占率

 
矽光子的光源形式
利用 CMOS 標準製程技術在 SOI 基板上製作矽基積體光元件的技術目前已處於成熟階段,但唯一雷射發光源部分仍無法採用矽基板直接磊晶生成,由於矽本身屬於間接能隙材料,無法發光,所以光源發展來自於外界,必須藉由封裝方式將光源與積體電路進行組裝整合,因此,矽光子技術的光電整合效益尚未完整,雷射光源成為目前最大的挑戰之一。

雷射與矽光積體電路的整合方式多樣,依據發展主要有三種方式構成光源。其中的覆晶技術( Flip Chip )及晶圓接合( Wafer Bonding )已經在產線上使用,屬於較為成熟的製程技術,但直接磊晶在矽光子積體電路的方式為彈性最高與成本潛力最低的技術方式,因此學術與研發仍朝此方向努力。
 
矽光子模組的細部設計
矽光子積體電路的主要特性為必須將光通訊元件整合在矽基晶片中;而內部元件可細分為三類,並主要藉由波導( Waveguide )傳輸連結光訊號與電訊號(圖二)。① 被動元件( Passive Components ):光學二極體、雷射、光學放大器、調變器。③電子式元件( Electronic Components ):轉阻放大器( TIA )、ASIC、驅動晶片。

矽光子的技術挑戰
矽光子在「模組整合」的主要挑戰有數個;首先,矽光子裝置本身的成本一定要有競爭力,否則沒有跟光通訊裝置共存的空間,也無法顯出矽製程的優勢;再者,波導等光學元件的尺寸通常是固定的, 但矽基元件一直在微縮中,兩者內部尺寸有數十倍以上的差距,結合不易,在「對位」跟「封裝」上都需要-----以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

圖三、矽光子硬體的技術障礙所在
圖三、矽光子硬體的技術障礙所在

 
作者:石立康、陳婉儀 / 工研院產經中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」361期,更多資料請見下方附檔。


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