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晶片封裝、檢測與光源整合將是矽光子技術的關鍵
【東西講座】活動報導

【作者: 劉昕】   2022年04月28日 星期四

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由CTIMES主辦的每月【東西講座】,於4月22日(五),針對「矽光子晶片的今生與來世」為題技術探討,當日以實體與線上直播方式進行,特別邀請國立中山大學光電系教授洪勇智博士前來演說,一同揭開矽光子晶片今生與來世的神秘面紗,現場吸引了滿座的產業人士親赴交流。



圖一 : 【東西講座】於4月22日針對「矽光子晶片的今生與來世」為題技術探討,邀請國立中山大學光電系教授洪勇智博士前來演說,一同揭開矽光子晶片今生與來世的神秘面紗。
圖一 : 【東西講座】於4月22日針對「矽光子晶片的今生與來世」為題技術探討,邀請國立中山大學光電系教授洪勇智博士前來演說,一同揭開矽光子晶片今生與來世的神秘面紗。

隨著世界對於光纖接取網路與資料中心的速度需求不斷上升,傳統電力的數據運送速率已達瓶頸,而傳輸距離更遠、沒有實體線路干擾、沒有訊號衰減問題的光,成為最新技術矽光子的關鍵元件,整合於奈米等級的積體化晶片上,實現高速光電轉換功能,大幅降低模組功耗、體積和成本。


矽光子(Silicon Photonics)簡而言之就是將光通訊技術放入IC裡面,利用晶圓廠先端CMOS製程技術實現高密度積體電路,以低成本的方式在單一微晶片中實現複雜的光電系統與功能,整合光纖通訊和矽基積體電路的技術平台,使用標準EDA tool進行積體電路設計。


而矽光子技術的優勢,在於整體光學系統體積非常龐大,基本元件包含透鏡、反射鏡、極化片、濾波器、閥門,須由光學桌組合基本元件,可將越來越複雜的光學系統微縮化,目前主要應用於資料中心、自動駕駛、5G、電信、高效能運算、醫療傳感器、航空、國防。


洪勇智博士帶領積體光電元件實驗室,於2017年與台積電簽訂八年矽光子合作計畫,共同合作跨領域知識,並在科技部矽光子旗艦計畫的補助下,成功在矽光子平台實現世界第一顆應用於IFOG之戰術型矽光子陀螺晶片,並整合光源與光纖線圈以外所有元件於單晶片上,大幅降低系統成本。



圖二 : 國立中山大學光電系教授洪勇智博士
圖二 : 國立中山大學光電系教授洪勇智博士

電路上的元件,例如電阻、二極體、電晶體等皆個別製造,再利用導線或是印刷電路板(PCB)做連接,稱為離散電路(Discrete Circuit),它的優點在於高彈性、可以處理高功率輸入與輸出、達到低溫度係數、變換電路參數, 缺點是元件組裝費時且體積大、人力成本高、可靠度較差、更換失效元件不易。


而一個積體電路(Integrated Circuit)可包含上千個電子元件整合於一半導體晶片的表面,藉由完整封裝後可將複雜的系統製成體積小、高可靠度並可大量生產,設計簡化後即降低成本、低功率消耗、增加操作速度,缺點在於無法更換參數、整合高電容、產生高功率輸出。


台灣具備製程能力 缺乏光電元件佈局經驗

洪勇智博士表示,半導體產業一直維持成長穩定,在5G、AI人工智慧、深度學習、虛擬實境、資料中心、雲端運算伺服器、汽車及工業等大趨勢下,新的應用需求不斷出現,市場上對於半導體晶片的需求非常強勁。


他進一步表示,2021全球超過一兆個半導體裝置出貨量,產值可突破5000億美元,1978年至2021年,半導體產業年度成長率CAGR為8.6%,表示持續有新市場的產生,且這些新市場都需要半導體,預測未來幾年可望持續成長。


台灣優勢在於具有領先國際的半導體設計、製造、封測等技術,上中下游供應鏈完整,於全世界晶圓代工市占率光台積電就有五成,矽光子的光電晶片可整合多重感測器、結合軟硬體,帶動產業創新應用,整體產業鏈正在形成中,但缺乏光電元件設計、布局知識與經驗。


近期新思科技(Synopsys)與瞻博網路(Juniper Networks)成立矽光子合資企業,主要目的為推出開放性矽光子解決方案,而慧與科技(HPE)也與矽光子公司Ayar Labs合作,開發商業化技術,隨著矽光子積體電路越來越受到廣大的注目,國內外晶圓廠相繼投資開發其平台與製程技術。


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