八月_光通訊技術｜先進光通訊模組技術發展現況剖析(上)

全球主要標準化機構和多元協定組織也啟動基於單通道信號傳輸速率達200 Gbit/s的1.6 Tbit/s之光模組標準研究和制定，IEEE於2021年底提出相關標準的預計完成時間。

 

表1、資料中心用交換器晶片與光通訊模組的性能發展趨勢

資料來源 : 光迅科技；智璞產業趨勢研究所整理

然而提高訊號傳輸速率和頻寬勢必導致交換器晶片、SerDes和光通訊模組的功耗倍增，相較於2010年的頻寬發展至今，估計功耗增長最多達26倍，其中一半以上功耗來自於光通訊模組，因此降低功耗成為光通訊模組的技術研發驅動力。目前發展中的技術包括矽光子晶片、鈮酸鋰(LiNbO₃)薄膜調變器與共封裝光學(CPO)、線性驅動可插拔光學(LPO)、封裝內光學(In-Package Optics I/O, OIO)等光通訊模組封裝技術，技術分析如下 :

• 矽光子晶片

光子晶片是以光代替電進行內部訊號傳輸，目前主要以砷化鎵或磷化銦等III-V族半導體晶圓製作，其材料成本及製程難度較高。而矽是當前使用量最大的半導體晶圓材料，具有低材料成本和製程技術成熟優勢，故促成資通訊廠商積極研發矽光子晶片。它是以既有的微電子製程技術於矽的SOI晶圓上製作雷射源、光感測器、調變器、光耦合器、波導等光電元件而形成積體光路，其具有體積小、穩定性高等優勢，可以大幅減少光通訊模組的元件數量以縮短訊號傳輸路徑而降低功耗。現在除了雷射源以外的矽基光電元件製程技術皆已完備，故仍需採用搭配III-V族半導體雷射源的混合集成架構，此外還存在製程技術問題有待克服、測試流程複雜與尚未標準化等發展挑戰。市場研究機構MarketsandMarkets預估全球矽光子晶片市場規模將從2022年的13億美元成長至2028年的50億美元，年平均複合增長率達28.5%，目前矽光子晶片生產多採用代工模式，晶圓代工商台積電與GlobalFoundries分別推出COUPE、GF Fotonix平台以協助客戶設計與投產。表2是科研機構代工製作之矽與磷化銦光子晶片性能比較，顯示兩者各有其性能優勢。2024年台積電在2024年北美技術論壇中公開COUPE光引擎晶片技術最新進展，其積體電路(EIC)及積體光路(PIC)堆疊連接由原先的矽穿孔(TSV)改成SoIC-X的混合鍵合(Hybrid Bond)以提升封裝密度並降低功耗。我們認為其滲透路徑會從Optical transceiver到CPO再到Optical I/O，而終端應用則是從原先的通訊拓展至HPC、Sensing領域。

 

表2、指標代工機構的矽與磷化銦光子晶片性能比較

資料來源 : FOUNDRIES OVERVIEW

 

• 鈮酸鋰薄膜調變器

鈮酸鋰為雙折射非線性晶體, 具有優越電光轉換和非線性光學特性，被認為是最具發展前景的光積體元件材料，故稱為光學矽。在今年五月知名期刊《自然》刊出的研究論文就有刊登出相關材料與製程研究。目前可製造應用於電光調變器、聲光調變器、非線性頻率轉換器、光梳器等光電元件，其中電光調變器是超高速資料中心的光信號傳輸用核心元件，現今已發展出矽、磷化銦和鈮酸鋰等3種材料製品，矽製品主要用於資料中心內部訊號連接，磷化銦製品多用於中長距的光通信連接，鈮酸鋰製品則適用於100 Gbit/s以上的長距離骨幹網路通信與單通道達100/200 Gbit/s的資料中心內部訊號高速互連。技術發展初期以鈮酸鋰塊材製作的元件尺寸很難縮小，為此開發出薄膜製備技術，經由離子植入(Ion Implantation)、晶圓鍵合(Wafer Bonding)及熱剝離(Thermal Splitting)等製程步驟將晶體分離出的鈮酸鋰薄膜貼合在SOI矽晶圓上，該薄膜同樣具有優異的電光轉換特性，且可製作頻寬更大且尺寸更小的電光調變器，未來還能用於製造光子晶片，而生產成本偏高是其市場擴展障礙。當前全球鈮酸鋰晶體主要由Epcos、Sumitomo Metal Mining、Korth Kristalle等三家廠商供應，而鈮酸鋰電光調變器製造商則有Fujitsu、Sumitomo Electric Industries與收購Lumentum的光庫科技。