March_Optical Communication｜Integrated Photonics Market and Technology Development Overview

Published On: 2025/03/01|Categories: 科技(Technology)|

Author: Mr. Lin Weizhi, Executive Vice President, Ji-Pu Industrial Trend Research Institute

Integrated Optical Circuit (IOC) is the integration of LDs, PDs, modulators, gate couplers, waveguides and other optoelectronic components into a single chip. Although the concept of integrated optics was first proposed by Bell Labs in the USA in 1969, it was not until the last decade that there was a breakthrough in the technology. There is a wide range of materials used in the production of these ICs, including lithium niobium, silicon, silicon nitride, gallium arsenide, phosphor, optical glass, and polymers, with silicon and phosphor being the main focus of current research. Mordor Intelligence, a market research organization, estimates that the global integrated optical circuit market will reach $15.11 billion in 2024 and will grow to $38.35 billion in 2029, with an average compound annual growth rate of 20.47%, with Alcatel-Lucent, Avago (Broadcom), Cisco, Cisco, and Avago as the leading vendors, Cisco,

Ciena、Coherent、Emcore、Finisar、Infinera、Intel、Lumentum(NeoPhotonics)、MaxLinear、Poet Technologies，大部分是美國公司。積體光路技術的潛在終端應用說明如下 :

通訊 : 積體光路可減少光訊號的傳輸損耗並提供更快速的傳輸速率，還可透過增加光訊號收發器數量並搭配多條或多核光纖實現並列傳輸。
高效能運算 : 利用封裝內光學(OIO)技術將積體光路晶片連接高速處理晶片以使其利用光訊號傳輸數據，即可提升整體運算能力，此外還能促進如類神經運算、類比運算、量子運算等創新高效能運算技術發展。
醫療 : 積體光路能縮小內視鏡尺寸並提升影像解析度以協助醫師診斷重大疾病，亦可以發展出光子生物感測器以提升體液中生物標誌物檢測的靈敏度，並進一步開發出可同時檢測多組生物標誌物的產品。
工業 : 積體光路可應用於各種微型感測器以測量如材料成分、厚度、粗糙度、距離、速度、加速度、溫度、壓力等製程參數。此外還可製作成2D或3D形貌掃描儀使用的高精度感測器以強化製造業數位化能力。
交通 : 積體光路有助於開發光學相位陣列、調頻連續波雷達等光學感測技術，還能應用於手勢感測、眼球追蹤等車用人機互動裝置以增進駕駛樂趣。
消費性電子 : 積體光路能應用於雷射光源、超透鏡、全息投影、微機電顯示器、眼球追踪感測器等組件，以改善頭戴式與行動裝置的重量、顯示效能，進而提供用戶更豐富且舒適的互動體驗。
農業 : 積體光路在確保農作物生長與食品加工安全的潛在應用如可監控溫室氣體、有害化學物質的量測儀器，可檢測溫室氣體、污染物、殺蟲劑及有毒物質的光譜感測器，可監測土壤、水質、蔬果成熟度與缺陷的光達與高光譜影像儀可，可監測農產品成分的近紅外光譜儀。
保安 : 積體光路能發展出微小且省電的光纖感測器，可用於橋樑、高架橋、隧道、鐵路、道路建設的結構監測及侵入者、爆炸物、有毒氣體、化學物質、有毒微生物的偵測與辨識，藉此強化保障公共安全。

目前積體光路的商業化應用集中在矽與磷化銦，前者優勢是晶圓價格便宜且製程技術成熟而有利於降低生產成本，故吸引較多廠商投入開發矽光子晶片，然而矽基雷射發光效率低難以成為光源，於是發展出三種搭配III-V族雷射源的混合積體光學解決方案，包括 : (1).透過透鏡將外部雷射光耦合到矽光子晶片，如Macom開發出自我對準蝕刻面技術(SAEFT)，置入預先設計的對準面進行光波導耦光以達到引入外部DFB雷射光的效果。(2).以封裝技術將雷射源與矽光子晶片整合，如Imec與Sivers Photonics合作將磷化銦DFB雷射源以覆晶方式鍵合到矽光子晶圓上，對準精度達到0.5 μm且耦合的雷射光功率超過10 mW。(3).在矽光子晶片上進行混合集成，如Intel利用300mm混合矽光子平台將8個磷化銦DFB雷射源鍵合至矽光子晶片上，以製作800 Gbit/s的光通訊模組。此外，研究機構持續研發將III-V族材料磊晶於矽晶圓以製作雷射源的技術，但遭遇的重大問題包括:在非極性矽晶圓上生長極性化合物會產生反相晶界(Antiphase Boundary)、Ⅲ-Ⅴ化合物與矽之間晶格匹配與熱膨脹係數差異大，目前發展出的解決方案如透過引入多個不同厚度和材料的緩衝層來消除晶格匹配和熱膨脹係數差異、藉由製程技術改進將磊晶層厚度降到3 μm、利用選區生長技術限制反相晶界形成範圍。目前矽光子晶片已進入商業化量產階段，除了Intel外的矽光子晶片商都採取委外代工生產，預估未來將集中於台積電、GlobalFoundries與STMicroelectronics等具備技術和成本優勢的大廠生產，並利用Cadence和Synopsys開發的專用EDA工具進行晶片設計，產業生態系發展近趨完備故矽光子在積體光路領域最具競爭力。磷化銦的光電性能優異，可製作如雷射源、光感測器、光耦合器、調變器，濾波器，波導等所有積體光路元件，但晶圓價格昂貴且製程技術不成熟是其發展劣勢，現在仍多由學研機構主導技術開發而投入廠商不多，故商業化量產進度緩慢，全球主要生產機構是歐洲光子集成元件和電路聯合平台(JePPIX)，由夥伴成員的德國Fraunhofer HHI及荷蘭Smart Photonics提供其積體光路晶片代工服務。

結論

隨著生成式AI應用競爭日益激烈，各大科技巨擘莫不積極提升算力資源以建構性能更強大的AI模型，不僅讓更高運算能力的AI處理器銷售持續暢旺，還連帶促使光通訊模組廠商不斷推出更高傳輸速率產品以滿足終端客戶需求，故資料中心技術趨勢已成為當前光通訊模組產品開發首要考量因素。由於抑制電力消耗是當前資料中心首重課題，移除高耗能DSP的LPO與提高散熱效率的浸沒式液冷預期是具發展潛力的可插拔光通訊模組技術，將有越來越多廠商推出相關產品。台灣光通訊模組技術落後國際大廠，廠商較難受惠於資料中心帶來的龐大商機。