2020：矽光子元年

作者：林育中

2016年Intel開始了矽光子的商品化，但2018年全球矽光子的市場也只不過4.5億美元，在半導體市場的版圖中幾乎看不見。但是2020年是異構整合路線圖整合進矽光子的第一個年度，這個時間自然已經考慮了5G開始部署時所需要的基礎設施擴充。

兼之因為COVID-19(新冠肺炎)疫情所引發的工作、社交、生活等巨大改變，大量的遠距互動讓矽光子的發生更是迫在眉睫。OFC (Optical Fiber Communications) 2000會議3月在加州聖地牙哥如期舉行，這是極少數在疫情如此緊張之際還願意照常召開的會議之一，這技術的迫切性可見一斑。

矽光子目前有三個主要的課題：減少光子損失(photon loss)、增加整合程度和量子信息科學的應用。

光子在矽波導(waveguide)中傳播容易因邊牆表面粗糙(side-wall roughness)而造成光子損失。最近的發現是在氮化矽(SiN)的波導邊牆上加一層過渡金屬二硫屬化合物(TMD；Transition Metal Dichalcogenides)，譬如二硫化鎢(WS2)，這樣可以大幅降低光子損失，特別是紅外線頻率的光。這個發現並非偶然，TMD是二維物質，在半導體先進製程中已被用於電晶體中做為低功耗、高電子遷移率(mobility)的通道材料，於矽光子的應用只是二維材料研發的綜效。這是當期《Nature Photonics》的頭條新聞。

增加整合程度是讓產品進入市場的關鍵步驟。光收發器(optical transceiver)在整個網路中佔60%的成本，超過交換器、網路界面控制器(NIC；Network Interface Controller)、光纖等成本的總合，在整個資料中心中也大概佔10~15%的預算。以異構整合和矽光子的方法整合光、電元件可以有效降低成本和功耗、提升效能，並且讓系統有可擴充性。

首先出現的異構整合是光學元件和以太網交換機(ethernet switch) IC SerDes(Serializer/Deserializer)的共同封裝(co-packaging)，這是目前產品得以在市場擴充的關鍵技術。而矽光子在晶片製程已有長足的進展，特別是光源磷化銦(InP)雷射現在已經可以在矽晶上直接製造。磷化銦顆粒首先被移轉、粘著於矽晶上並以電漿活化(plasma activation)，然後蝕刻掉磷化銦襯墊，只留活化的外延層。這樣光源、光學模組、電子線路就可以在同一晶片上製造。

光子也是量子信息科學的重要技術，它在量子通訊中是唯一的技術，在量子計算中也是與超導體、離子陷阱並列最有可能實現的量子位元技術之一。當量子位元數增多時，目前預見可行的技術是以數十、百個量子位元先組成一個小晶片(chiplet)，各小晶片再以異構整合方式建構成大數量的量子位元。在這樣的架構下，光子即使不是做為量子位元，各量子位元小晶片之間的糾纏也必定由光子擔當。矽光子許多技術，譬如前述的低光子損耗波導，都是在量子通訊和量子計算可以共用的。

有眼前急遽興起的商機，也有未來更開闊的遠景，這就是矽光子起步當下的光景！

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