■ 技術說明
隨著人類高度依賴智慧型手機與平板電腦載具，進而成為日常的生活型態後，也同時加速行動通訊技術的發展及巨量資料的應用需求，面對這些雲端巨量資料的商機背後，正是資料中心(Data Center) 擔負起整體資料處理及交易的基礎設施。然而伴隨大型資料中心建置熱潮，掀起了高速網路設備需求的攀升，以及帶動高頻寬、高容量的資料中心互聯設備需求下，就不得不正視資料中心所帶來的耗能問題。根據《Nature》2018 年文章報導，現今資料中心與整個ICT(Information and Communications Technology) 生態系統（包括電信商設備、基地台、終端主機等）產生的碳排放占全球2% 以上，等同於全球航空業的燃料排放量。光是全部資料中心的耗電量就達全球電力需求的1%，相當於伊朗國家的能源總消耗。但如今全球正處於資料爆炸性成長的階段，且似有增無減的跡象。根據分析師預測，到了2025 年，非結構化資料如文字、聲音、圖片與影像，將占所有資料的80%，整體規模將在2026 年達到四倍之多。為了跟上這樣的速度，資料中心各個環節的耗電量都將持續增加，所以電力可以說是現代化資料中心最大的一項重複性成本，這一點直接與企業目前追求節能減碳以及降低碳足跡的目標相牴觸，甚至偏離法規。
舉例來說，在4G 以前的基地台，基站設備主要任務是傳輸訊號，並不需要使用大量的IC運算，而5G 基地台雖然變小了，但是數目更多，加上5G 設備使用大量的邊緣運算，將導致IC耗電量大幅上揚。由於5G 的應用如自駕車，需要即時的資料運算與回應，顯然不能全部依賴遠在他國或極地的資料中心協助AI 運算；5G 設備的版本升級將隨著5G 應用擴大，也因應付大量IC運算能力，而更加耗電。目前新一代通訊技術發展主要追求的是增加連網速度跟提高穩定性，新的5G 基地台與網路設備的用電量只會急劇增加，不利於有限電力下的長時間運作。在台灣隨著核能機組退役，再生能源比重大幅增加，未來面對極端氣候的供電風險將大幅攀升，當強烈颱風造成風機與太陽能發電的系統性損害時，如何在缺電的壓力下維持適度的無線通訊與網路設備運作將是非常重要的國家安全課題。在能源供應高度波動的今日，如何節能減碳與提升效率已成為國家能源發展的重要方向。換言之，新一代通訊技術不僅追求網速及穩定性外，節電議題已迫在眉睫，唯有追求更省電的技術才能完成長期減碳以及應付短期緊急供電下的網路通訊，才能確保國家安全。
自雲端業者與電信公司加速興建新的資料中心(Datacenter)，採購更多網路設備，加快5G 基地台的建設來滿足大量增加的網路流量。Google 很早就透過AI 來改善機房供電和散熱的效率，降低資料中心用電；不過傳統節電的手段已經快到達極限。為了在用電壓力下興建更多的資料中心，臉書和微軟在2019 年宣布一項共同合作計畫，一起推動採用共封裝光學(Co-Packaged Optics; CPO) 節電技術的網路設備標準化，協助網通硬體業者降低CPO 產品成本並規劃在2023年開始正式採用。CPO 設備節電原理是透過光波導技術，將伺服器內運算IC 晶片的數據資料直接以光的訊號從IC 封裝基板上傳送到光纖。採用光波導技術除了可以在資料中心節電，毫米波的波導技術也可能用在超耗電的5G 毫米波基地台天線部分，甚至是未來6G 通訊的太赫茲波天線，更需要採用太赫茲波的波導技術才有可能實現量產。
綜觀近來高速運算技術的研究發表，處理器IC 間的電訊號傳輸改由光訊號傳導，對此商業化的可能性最大，也最有機會大幅降低網路使用耗電量的技術方案。由於商業上增加IC 運算能力的製程工藝相對於後進的光傳輸技術成熟，使得IC 運算耗電量猛速增加，而光傳輸技術卻進展緩慢，無法及時將IC 間的高頻電訊號傳輸改由光訊號來傳導。光纖端是透過精密製造的光纖連接頭對準封裝，而矽波導端的對位封裝方法至今仍然是全球矽光子科研或相關企業的研究重點。技術困難點在於矽波導的尺寸和平面光波導通道尺寸差異太大，單模光訊號模態要從矽波導到平面光波導雙向來回轉換需要透過高超的光耦合結構設計，才能同時滿足低耦光損失和高容許位準誤差。
工研院材料與化工研究所深耕共封裝光學(CPO) 晶片用光耦合結構設計技術多年，早期從多模光波導材料/ 製程切入，到近年單模波導光耦合技術的投入。多模光波導技術已建立精度為0.001 的高分子材料折射率調變以及平面波導/ 光纖邊緣對位封裝技術，成功開發結合光波導層的高速軟硬板以及可自動對準PCB 內埋45 度鏡面的晶片載具。由於有機分子結構如何設計並得到折射率精度達0.001 的樹脂/ 膜材/ 膠材，需要精密的材料配方設計、製膜與量測等綜合技術匯集，工研院材化所開發之光波導耦合結構設計樹脂材料，可以調控特定波長下的折射率、雙折射性、dn/dT 以及減少毫米波、THz 波或光波傳導損耗。
■ 技術特徵
由於專業雲端服務商與高效能運算的發展趨勢， 促使超大規模資料中心(Hyperscale Datacenter) 如雨後春筍般矗立在全世界各地，包括Google、Facebook、Amazon、阿里巴巴與百度等營運商不斷投資興建。超大規模資料中心的內部運作，包含資料處理、訊號傳輸、管理儲存等都需要很多的新興科技協助來突破傳統架構的侷限，尤其面對新型記憶體與分散式架構機架(Disaggregated Architecture/Rack) 的出現，其傳輸瓶頸已不再是傳統的處理器與記憶體間俗稱(Memory Wall) 或是Rack 與Rack 中的問題，而轉變為排與排的機架Rack 間，或者是Core與Core交換機間，特別對大頻寬或超大頻寬的需求將更甚傳統資料中心需求，因此矽光子對於超大規模資料中心，在進行大規模平行運算時，成為傳遞速率提升的重要技術與經濟化解決方案。
矽光子積體電路(Silicon Photonic Integrated Circuit; SPIC) 就是指藉由矽製程將無數個光學元件整合成一，使操作電轉為光、銅轉為光纖，可突破傳統電訊號傳輸的速率、頻寬與熱的問題。矽光子具有高頻寬、高速率、無電磁干擾等優點，目標用以取代銅或金屬等電訊號導線，可以同時解決傳輸距離增加、資料頻寬快速成長與功耗冷卻等議題。矽光子積體電路被視為一項非常重要且目前尚無其他替代方案的新興科技，適用於應用於資料中心、高效能計算等。
近10 年來製程技術的進步，讓光波導結構平面化與縮小化進入到PCB 與矽晶片中，光纖技術成本的下降也讓光通訊滲透到資料中心交換機面板。經過5G 時代的網路頻寬需求大爆發下，光波導技術已漸漸從原本高速金屬傳輸線的競爭下脫穎而出。微軟和臉書在2019 年正式合作推動資料中心CPO(Co-Packaged Optics) 新架構，希望將光纖從交換機面板拉進內部的ASIC晶片組；原因無他，經濟效益考量。進入5G 大時代，社會活動的全面數位化造就雲端資料儲存運算的龐大需求；雲端業者希望將資料中心耗電減半，在各國有限電力供應下蓋更多的資料中心。資料中心“省電就是賺錢”的龐大經濟誘因，促使雲端業者要求設備供應商改變硬體設計，提供更節能的光波導in side商品，並成立COBO (Consortium for On-Board Optics)聯盟協助建立產品設計規範。
工研院材料與化工研究所一直持續關注著光波導技術的發展，從2002 年開始從多模光波導材料/ 製程切入，到近年單模波導光耦合技術的投入，細水長流地堅持了近20 年。早期開發多模光波導技術時已建立精度為0.001 的高分子材料折射率調變以及平面波導/ 光纖邊緣對位封裝技術，並且在2010 年前後協助國內PCB 業者成功開發結合光波導層的高速軟硬板，如圖一(a) 所示。為了驗證光電軟硬板的性能，另外開發可自動對準PCB 內埋45 度鏡面的晶片載具（圖一(b)）；隨後已取得台灣、美國和中國專利。同樣的T 型結構也用於固定光子晶片內的雷射光源，在2021 年ECTC 有相關的研究發表。
圖一、工研院材化所開發之(a)採用光波傳導高頻訊號的軟硬板技術；(b)可自動對準PCB內埋45度鏡面的晶片載具
矽光子技術是未來降低高速電腦和資料中心耗電量的關鍵技術，矽光子晶片的光訊號需要傳導至光纖達到雙向訊號傳導的目的，而如何克服矽波導和光纖間巨大的尺寸差異以及實現高密度通道數且同時光耦合對準，需要平面單模光波導排線高超的橋接設計。常見光纖的外徑約為125微米，而矽波導的寬度約小於0.5 微米，如果矽波導以光纖間距對準將會占用大量的晶片面積，損失數倍以上的輸出端與輸入端數量。因此，平面單模光波導排線為了同時連接高密度的矽波導通道與低密度的光纖排線，可以有扇形布線提供橋接。此平面單模光波導排線若是柔性可彎曲，則可以提供多種類型的對位封裝選擇，從而降低晶片封裝成本。有機光波導材料則為柔性可彎曲光波導排線的製造提供可能的解決方案。在製造上，平面單模光波導排線必須提供與光纖和矽波導的對位封裝結構設計。光纖端是透過精密製造的光纖連接頭對準封裝，而矽波導端的對位封裝方法至今仍然是全球矽光子科研或相關企業的研究重點。技術困難點在於矽波導的尺寸和平面光波導通道尺寸差異太大，單模光訊號模態要從矽波導到平面光波導雙向來回轉換需要透過高超的光耦合結構設計，才能同時滿足低耦光損失和高容許位準誤差。
針對單模光波導材料、光纖封裝膠以及矽波導與高分子平面波導的光耦合方法，由於在晶片組使用的光學材料參數需要很高的溫度安定性，例如折射率，工研院材化所也建置測量dn/dT的設備，可驗證光波導材料在晶片組高低溫變化下，不會影響光訊號的正常傳遞。設計CPO 晶片組時，若要在基板旁安裝如AIST 發表的微型光纖連接器，就需要高分子扇形波導將PIC內密集的光訊號群分散開，並跟光纖連接器的光通道對準。採用光纖連接器在資料中心運作上的安裝與維修都相對便利，預計將來CPO 晶片組有高比例會採用高分子波導加光纖連接器的方案。材化所在高分子波導和PIC矽波導的光耦合設計是採用SiON當作矽波導上包覆層並兼具光模轉換器，成功獲得專利。
在光波導應用上，材化所過去已自行開發出多種高分子配方，包括聚醯亞胺樹脂、壓克力樹脂和環氧樹脂等；這些材料配方分別在耐折性、透光性、易製程性、安定性等特性參數上各擅勝場。市面上雖然有些樹脂商品用途標註了光波導應用，但是實務上仍需要配合光波導圖案化製程選擇和使用目的，來挑選樹脂或進一步調整商品特性參數。根據過去的光波導研究經驗，目前沒有一支材料可以滿足所有的光波導應用場域；使用者必須針對自己設定的應用目的和希望採取的圖案化製程，挑選最合適的樹脂商品。舉例說明，在開發CPO 晶片組使用的光波導材料時，需要的是包含樹脂耐熱特性優化和加工製程的Total Solution。
■ 技術規格
1. 可調控折射率材料技術
► 規格：折射率精度 0.001、dn/dT 分析(室溫 -120℃)、光波導損耗分析 (dB)
► 服務：協助驗證客戶之光學材料在光波導應用之加工性與品質特性
2. 太赫茲波段應用
► 規格：0.3~1 THz 波段吸收係數分析，光聚合型材料設計
► 服務：(1) 協助驗證客戶之材料在太赫茲波段應用之可行性
(2) 協助開發太赫茲波段應用之材料
3. 光耦合結構設計
工研院材化所在過去近20 年默默累積的光波導材料開發、製程與光波導結構設計經驗，已獲得軟性光波導用於連接光晶片與光纖連接器之專利( 圖二)，可為國內業界開發光波導in side 產品的助力。
圖二、工研院材化所光耦合結構設計
■ 應用範圍/領域
► 資料中心 Data Center
► 5G 通訊(毫米波天線模組)
► 車用光達 LiDAR
► 保健醫療，如遠距醫療、智慧穿戴裝置及醫療設備的感測器陣列
■ 專利/技術資訊
專利組合名稱：共封裝光學(CPO) 晶片用光耦合結構設計
專利標的：方法、材料、結構
專利組合案件數：3 案5 件
專利/技術成熟度：雛型
技術發展潛力：100%
國別分布：TW、US、CN
合作方式：專利讓與/ 授權、技術授權、 合作開發
■ 洽詢窗口
工研院 材料與化工研究所 康靜怡
Tel：03-5916928、Email：kang@itri.org.tw