# 0701-02-矽光子(Silicon Photonics)應用概述-邱奕鵬教授 # 重點摘要 ## 一、矽光子（Silicon Photonics）概念與優勢 - 利用CMOS製程在矽晶圓上製作光學元件，與電子電路整合。 - **主要優點**： - 成本低、可量產（CMOS相容） - 體積小、可靠度高 - 可整合電子與光子元件，實現高速通訊 - 光與光子的區別：光學強調波動幾何，光子學強調量子效應與光電轉換。 --- ## 二、技術趨勢與台積電COUPE發展 - 台積電提出 **COUPE™（Compact Universal Photonic Engine）** 技術： - 結合SoIC-X堆疊電子與光子晶片，減少能耗、提升效能。 - 計劃2025完成驗證，2026與CoWoS封裝整合，推進共同封裝光學元件（CPO）。 - 回應AI與HPC資料需求爆炸成長，矽光子為解決通訊瓶頸的關鍵。 --- ## 三、資料中心與高效能運算瓶頸 - 資料中心被形容為「吃電怪獸」，傳輸需求高速成長。 - 電傳輸的挑戰： - 渦電流、集膚效應、鄰近效應、電磁干擾、耗能高。 - 光傳輸優勢： - 頻寬高、損耗小、抗干擾佳、保密性高，適合高速傳輸。 --- ## 四、矽光子的挑戰與限制（所謂「六醜」） 1. 不發光（間接能隙材料） 2. 波導損耗高 3. 濾波性能差 4. 調變效率差（熱效應/載子濃度調變） 5. 光偵測效能低（需整合Ge） 6. 難與其他光電材料整合（如LiNbO₃） --- ## 五、常見技術架構與模組 - **光波導設計**：利用Si/SiN製作高折射率差波導。 - **耦合方式**： - 側邊耦合：效率高但製程複雜。 - 表面光柵耦合：易於封裝但效率較低。 - **調變與濾波技術**： - 微環共振器（MRR）、Mach-Zehnder干涉器（MZI） - **偵測元件**：PIN二極體、逆向偏壓提升偵測效率。 --- ## 六、光通訊與系統應用 - 使用方式： - **IMDD**（強度調變與直接檢測） - **PAM-4** 調變（在相同頻寬下提升資料量） - **波長分波多工技術（WDM）**： - CWDM、DWDM 用以增加通訊通道數與總資料傳輸率。 - 總傳輸速率可達 Tbps 級別。 --- ## 七、應用實例與發展方向 - **高階應用**： - 高速Transceivers、資料中心、伺服器、5G/6G前傳後傳。 - **感測應用**： - 光纖陀螺儀（FOG）、LiDAR、OCT、Lensless Camera - **台灣發展現況**： - SEMI於2024年成立SiPhIA產業聯盟，串連台積電、日月光、聯發科、鴻海等產業鏈。 --- ## 八、未來展望與極限目標 - **最終願景**：實現Attojoule等級的低功耗光電元件與片上光連接（Optical I/O）。 - **挑戰**：尚無法在小體積內完全取代電訊號處理，主要仍用於高速資料傳輸。 - **全光連接**：朝向資料傳輸全面光化，降低功耗、提升運算效率。