矽光子芯片需求时点渐现

矽晶电子微缩逐渐趋于缓步，眼前面临的问题除了逼近物理尺度极限外，还有功耗发热的大问题。逼近物理极限尺度的问题只能诉诸于材料科学的进展－譬如二维材料；另一方面，功耗发热的问题其实困扰半导体已久，只是于今尤烈。

问题的根源在于半导体元件的运作是基于电子携带的电荷，而电子在金属中运动时，遵守焦耳定律－热耗散正比于电流的平方乘以电阻乘以时间。当制程微缩电压难以持续下降，而功能日渐复杂，需要连结的晶体管数目庞大，在越来越长的连结金属线(interconnect)上热耗散益发严重。有人戏以核反应炉、火箭喷嘴每单位体积的功率相较，半导体芯片早已超越前二者的数量级。

解决电流热耗散问题的有效方法之一是用电荷以外的性质－譬如电子自旋或光子－当成信息产生、处理、传递、接收的工具。电子带有自旋，现在已可以操控电子的流动让其只有纯粹的自旋流(spin current)而无电荷流(charge current)，自旋流的能耗已经实验展示只有电荷流的1/1000。而用光子当成信息信息载具的方法，就是现在急速发展的photonics。

用photonic来传递信息有信息量大、省能、速度快的各种好处，特别是线上传输，所以它首先被应用光纤上。但是在进入终端时，会碰到几个问题，特别是在芯片的制造上。它的元件种类繁多，如光子侦测器(PD；Photo Detector)、雷射二极管(LD；Laser Diode)、调制器(Mod；Modulator)、过滤器(filter)、隔离器(isolator)等，不像半导体是以晶体管一以贯之。Photonics的制程也复杂，因为元件组成复杂，没办法如半导体以CMOS制程一招半式行天下。

另外在材料选择上，除了矽之外，还有砷化镓、磷化铟等，这些材料都能当波导和光学元件，不过最近的制程材料归向矽。

矽对于波长在1.2~1.6µm的光是透明的，而且与氧化矽的折射率差异很大，且与CMOS制程兼容，利用半导体光刻制程，可以做很紧致的波导，也可以做各式的光元件。但是它的量子效率(quantum efficiency)很低，也就是不能利用光电效应(photo-electric effect)将光信号转为电信号，对于波长在1.2~1.6µm的光无法侦测，也没有办法有效的发光。

矽光子的技术可行性毋庸置疑，有一阵子，矽光子芯片即将问世的传言甚嚣尘上。但是对于商业判断，上市时间的重要性不亚于可行性。我无法预言时间，但是有几个因素会将这个延宕多时的技术拉近时程。一个是前述的制程微缩变得迟缓，另一个是量子通讯的渐渐切入。由于量子通讯－特别是长距的传输－都是以缠绕的光子为媒介，发送、接收端的光元件势在必行。最后是AI技术的盛行，对于线上离大量数据的传输需求正是方兴未艾，这些都是支持矽光子的有利因素，它们有多快，矽光子就有多快！