揭開矽光子的奧秘：驅動未來的光速革命

隨著人工智慧（AI）、高效能運算（HPC）和雲端服務的爆炸性成長，我們正處於一個數據量以前所未有的速度飆升的時代。然而，傳統上用來傳輸數據的銅線，面臨著速度瓶頸、高耗能和信號衰減等問題，已逐漸不敷使用。為了解決這個困境，一項被譽為有望突破摩爾定律物理極限、顛覆未來的關鍵技術——「矽光子」（Silicon Photonics）應運而生，吸引了台積電、輝達（NVIDIA）、英特爾（Intel）等科技巨頭爭相投入。

什麼是矽光子？

大家對積體電路（IC）應該不陌生，它是將億萬個電晶體等電子元件微縮到一片小小的晶片上，用來進行複雜的運算。而矽光子，可以理解為一種積體「光」路（Photonic Integrated Circuit, PIC），它的核心概念是將龐大的光學系統，如光纖、透鏡、調變器等，同樣微縮到一片矽晶片上。

簡單來說，矽光子技術就是將「光信號傳輸」的功能直接整合到傳統的矽晶片製程中。如此一來，數據就能以光的形式在晶片之間，甚至晶片內部高速傳遞，大幅減少了傳統「電訊號-光訊號」轉換過程中所造成的延遲與能量損耗。在這片微小的晶片上，複雜的線路不再是傳導電子的電線，而是引導光子傳輸的「光波導」（Optical Waveguide）。

為何我們需要「光」來傳輸？

當晶片運算速度越來越快，數據傳輸的頻寬就成了效能的瓶頸。傳統電子電路在高速傳輸時會產生大量廢熱且耗能，而矽光子技術正是為了解決這個難題。它利用光來傳輸資料，具有以下核心優勢：
1.超高速度：傳輸速度可超過100 Gb/s，遠高於傳統電子電路。
2.極低損耗：光在光波導中傳播時損耗極少，能進行更長距離、更有效率的資訊傳輸。
3.低耗電量：相較於電子傳輸，光傳輸的能源效率更高，有助於降低資料中心等大規模應用的營運成本。
4.體積小巧：將龐雜的光學系統整合到指尖大小的晶片上，大幅縮小設備體積。
5.成本效益：由於可以利用現行成熟的半導體製程來製造，因此具備了低成本大規模量產的潛力，且可靠性更高。

儘管前景廣闊，矽光子技術的發展仍面臨挑戰，其中最大的難題在於「光電整合」。要在同一片晶片上完美整合處理運算的電子元件和傳輸訊號的光子元件，需要克服材料差異、散熱、信號干擾等技術門檻。此外，部分特殊製程也增加了目前的製造成本與整合難度，距離大規模量產仍需時間。隨著技術不斷演進，矽光子已被視為延續半導體產業發展的下一個重要篇章。它不僅是解決AI時代數據傳輸瓶頸的鑰匙，更將為通訊、運算和感測等領域帶來革命性的改變，引領我們進入一個更快速、更高效的光速新紀元。

資料來源：

https://www.cw.com.tw/article/5135133

https://www.youtube.com/watch?v=1yDqT9q_Aro

https://www.ansys.com/zh-tw/simulation-topics/what-is-silicon-photonics

https://www.bnext.com.tw/article/77353/ase-tsma-silicon-photonics-cpo