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2020:迎接矽光子元年

  • 林育中

疫情之下,OFC 2000会议3月仍在加州圣地牙哥举行,矽光子技术的迫切性可见一斑。李建梁摄

2016年Intel开始了矽光子的商品化,但2018年全球矽光子的市场也只不过4.5亿美元,在半导体市场的版图中几乎看不见。但是2020年是异构集成路线图集成进矽光子的第一个年度,这个时间自然已经考虑了5G开始部署时所需要的基础设施扩充。

兼之因为COVID-19(新冠肺炎)疫情所引发的工作、社交、生活等巨大改变,大量的远距互动让矽光子的发生更是迫在眉睫。OFC (Optical Fiber Communications) 2000会议3月在加州圣地牙哥如期举行,这是极少数在疫情如此紧张之际还愿意照常召开的会议之一,这技术的迫切性可见一斑。

矽光子目前有三个主要的课题:减少光子损失(photon loss)、增加集成程度和量子信息科学的应用。

光子在矽波导(waveguide)中传播容易因边墙表面粗糙(side-wall roughness)而造成光子损失。最近的发现是在氮化矽(SiN)的波导边墙上加一层过渡金属二硫属化合物(TMD;Transition Metal Dichalcogenides),譬如二硫化钨(WS2),这样可以大幅降低光子损失,特别是红外线频率的光。这个发现并非偶然,TMD是二维物质,在半导体先进制程中已被用于晶体管中做为低功耗、高电子迁移率(mobility)的通道材料,于矽光子的应用只是二维材料研发的综效。这是当期《Nature Photonics》的头条新闻。

增加集成程度是让产品进入市场的关键步骤。光收发器(optical transceiver)在整个网络中占60%的成本,超过交换器、网络界面控制器(NIC;Network Interface Controller)、光纤等成本的总合,在整个资料中心中也大概占10~15%的预算。以异构集成和矽光子的方法集成光、电元件可以有效降低成本和功耗、提升效能,并且让系统有可扩充性。

首先出现的异构集成是光学元件和以太网交换机(ethernet switch) IC SerDes(Serializer/Deserializer)的共同封装(co-packaging),这是目前产品得以在市场扩充的关键技术。而矽光子在芯片制程已有长足的进展,特别是光源磷化铟(InP)雷射现在已经可以在矽晶上直接制造。磷化铟颗粒首先被移转、粘著于矽晶上并以电浆活化(plasma activation),然后蚀刻掉磷化铟衬垫,只留活化的外延层。这样光源、光学模块、电子线路就可以在同一芯片上制造。

光子也是量子信息科学的重要技术,它在量子通讯中是唯一的技术,在量子计算中也是与超导体、离子陷阱并列最有可能实现的量子位元技术之一。当量子位元数增多时,目前预见可行的技术是以数十、百个量子位元先组成一个小芯片(chiplet),各小芯片再以异构集成方式建构成大数量的量子位元。在这样的架构下,光子即使不是做为量子位元,各量子位元小芯片之间的纠缠也必定由光子担当。矽光子许多技术,譬如前述的低光子损耗波导,都是在量子通讯和量子计算可以共享的。

有眼前急遽兴起的商机,也有未来更开阔的远景,这就是矽光子起步当下的光景!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。