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title: 0701-02-矽光子(Silicon Photonics)應用概述-邱奕鵬教授

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# 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。

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## 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。

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## 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。

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## 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）

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## 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。

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## 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。

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## 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。

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## 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。