October_Silicon Photonics｜Taiwan Silicon Photonics Industry and Technology Development Overview

Published On: 2023/09/25|Categories: 科技(Technology)|

In the past, since silicon photonics was mainly at the stage of technology research and development without extensive commercial applications, almost no domestic manufacturers, except for a few academic institutions, invested in R&D. As a result, silicon photonics technology in China lagged far behind that of Europe and the U.S., and the situation has only changed in recent years. 2018, the Ministry of Science and Technology (MOST) initiated the Silicon Photonics and Integrated Circuits (SIPIC) Project. By integrating the R&D energies and resources of the academia, the multi-project wafer services of the NRI Wafer Center, the customized process services of the National Nanode Component Laboratory, and the measurement platform and packaging services of the Industrial Technology Research Institute (ITRI), the program will research and develop the silicon photonics and integrated circuit technology-based system-applied optoelectronic wafers, with the main development goals of achieving technological practicability and promoting industrial applications. Within four years, NT$320 million will be allocated to complete core technology development and system chip architecture design in the first two years, system chip production and performance optimization in the third year, and system demonstration in the fourth year to enable subsequent application and promotion of the technology with vendors. The five teams will be subsidized to develop gyroscope, multi-functional biomedical testing, 5G enabling antenna, optical transceiver, and co-modulated optical transceiver chip modules.

目前台灣投入矽光子技術的廠商不多，產業發展緩慢，為此工研院與台灣光電化合物半導體產業協會(TOSIA)於2023年9月成立光通訊與矽光子SIG，以建構幫助產業發展之廠商溝通平台，當前有實績的廠商有上游晶片設計的奈微光科技、中游晶片製造的台積電與封裝的日月光、測試設備的思衛科技等 :

奈微光科技 : 成立於2019年，為台灣大學衍生新創公司，利用光電整合技術實現矽光子的應用原理，開發全世界最先進的矽光檢測與感測晶片。因採用成熟的矽半導體而非Nanoplus、Hamamatsu Photonic、Rockley Photonics等外商使用的化合物半導體技術，因此在功率消耗及成本方面可達到大幅度降低，可基於CMOS製程而大量生產，其成本僅是後者的五分之一。同時，能直接在晶片上與ASIC整合。2022年發表全球獨家的四合一感測晶片，可偵測遠紅外光、近紅外光及可見光波段訊號，除了能測量如心跳、溫度、血氧、血壓等生理訊號外，還可進行一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體濃度偵測。晶片尺寸小可整合至智慧手機、智慧手錶等電子產品以具備健康管理功能。
TSMC : 2017年起與中山大學光電工程系團隊產學合作開發矽光子元件資料庫，至2021年成功開發出毫米尺寸的微型矽光子光纖陀螺儀驅動晶片，體積和成本較傳統的光纖陀螺儀大幅縮減，可應用於自駕車、無人機等需要高精準定位的產品。2017年與Luxtera合作開發7奈米矽光子晶片製程，2021年推出名為緊湊型通用光子引擎(Compact Universal Photonic Engine；COUPE)的共封裝光學技術，將矽光子晶片和計算、控制晶片封裝在載板或中介層上以降低晶片間的傳送距離，進而提高傳輸頻寬和效率。因應市場龐大需求，2023年成立研發團隊與Broadcom、Nvidia等客戶合作加速開發生產矽光子產品所用的晶片與共封裝光學製程，預計於2025年導入量產。
sun and moonlight : 已投入矽光子技術超過15年，並與台積電合作開發共封裝光學技術。2022年推出的VIPack先進封裝平台納入共封裝光學技術，並導入於2023年發表的新版扇出型堆疊封裝(FOPoP)技術中，讓矽光子與交換器晶片垂直堆疊以達到最小傳輸路徑。
思達科技 : 2023年與CompoundTek Pte合作開發出矽光子晶圓測試儀，能夠量測光纖陣列自動邊緣耦合溝槽寬度小於100 μm矽光子晶片，其對光纖陣列區塊定位精度和重複性最小至1μm，讓光纖可以大約90度偏斜至邊緣耦合器，以具有較低的光功率插入耗損和極低的光反射值。
聯亞光電 : 已推出多重量子井(MQW)與異質埋入(BH)型分佈回饋式(DBF)雷射磊晶片，貼合在矽光子晶圓上以製作其雷射源。2023上半年量產信號傳輸速度達800 Gbps之矽光子晶片用磊晶片，並同時與客戶開發6Tbps產品。

至於最近討論度很高的共封裝光學(CPO)技術，其生態圈建立算是矽光子轉為大量商轉應用的一個重要需要突破的地方。目前看來，Broadcom將為主要領導者。在HPC/AI算力需求持續提升下，推升網通傳輸速率需求，CPO將能解決傳輸速率達1.6Tb以上時遇到物理極限問題，且提升功耗表現。目前矽光子的生態圈仍十分離散，仍需各方一同制訂統一標準加速產品商用進程。Broadcom表示其搭載Tomahawk 4 的CPO已在數家超大規模資料中心完成概念性驗證(Proof of Concept；POC)，預計2024 年中 Tomahawk 5的CPO (Baily) 將會出貨。因此Broadcom很有可能成為未來CPO成長下主要受益者，台灣對應的供應鏈到時應可同時受惠。

最後，雖然矽光子技術發展超過20年但缺乏實用性而長期被忽視，但直到近期生成式AI風潮帶動資料中心高速資料傳輸需求才引起業界關注。然而當前技術與市場都被默默耕耘的歐美大廠所掌握，加上現階段標準化程度不高，導致除了台積電、日月光等擁有豐厚研發資源之大企業以外的國內廠商切入難度很高。所幸台灣已具備完善的半導體和光電產業鏈優勢，有利於降低成本而成為全球大廠的矽光子產品生產基地，故透過與國外大廠技術合作或代工生產以提升研發能力，將有助於縮短產業進入時程以盡早獲取商機。