為了滿足傳輸大量資料所衍生的頻寬需求，光通訊技術在近十年有非常大的進展。人工智慧(AI)與機器學習(ML)應用的興起，將使光通訊元件必須進一步微縮到能直接與晶片整合的程度，以進一步降低延遲與成本。這也使得矽光子將成為半導體領域不可或缺的核心技術。
過去十年間，100G、200G及400G可插拔光學元件陸續推出，雲端資料中心才能支援供不應求卻仍不斷增加的應用需求，例如影音串流、網頁瀏覽、社群網站、雲端運算等。照著這套脈絡發展，800G可插拔模組很快就會登場，而且預計在2026年前，就能看到支援1.6T傳輸的光學元件問世，屆時這些光學元件將可透過單模光纖電纜來連接相距數百公尺的資料中心交換器。
資料中心網路的頻寬不斷增加源於兩股驅動力。一方面，資料中心交換器的CMOS技術持續微縮；另一方面，IEEE乙太網路收發器(Tx/Rx)標準不停推陳出新。歷史上，成本最低的收發器一直是透過使用最少量的平行光通道來實現。因此，微縮發展的關鍵就是光學收發器的鮑率(BAUD Rate)或訊號傳輸率，這指的是單個光通道每秒可傳輸的符號數量。
第一代1.6T可插拔光學元件將採用8個平行通道，透過提升鮑率至100G(即100 Gbd)，並結合四階脈衝振福調變(PAM-4)技術，每通道的傳輸速率可達到200Gbps。接下來的新一代元件每個通道都具備400Gbps的資料傳輸率，鮑率很可能升級到140Gbd，調變格式也會越來越複雜。
提升鮑率驅動著高頻寬光電調變器及光偵測器的發展。光電通道的頻寬不足會導致資料傳輸品質下降。這就需要透過在最尖端的CMOS製程中運用先進的數位訊號處理(DSP)技術來緩解，但DSP技術會增加大量功耗、延遲和成本，所以我們顯然需要100GHz以上的寬頻光學元件，藉此大幅減少使用DSP的需求。
imec光學I/O團隊持續推動矽光子進展
過去幾年，imec光學I/O研究計畫團隊持續開發最新的矽光子(SiPho)技術，並獲得許多重要的研究成果，例如頻寬可達500GHz，基於矽與鍺的光電元件，為即將問世的第一代1.6T可插拔光學元件提供200Gbps的PAM-4傳輸能力。最近該團隊還在imec自家的矽光子平台上，成功以低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術整合了高品質的氮化矽(SiN)波導，為工具箱增添具備高精度的被動式光學元件。
此外，imec團隊還為三五族覆晶雷射整合應用開發了矽光子介面，未來將能有助於降低收發器的整體成本。利用該製程，imec近期展示了在矽光子晶圓上接合磷化銦(InP)分布回饋式(DFB)雷射二極體，對準精度達到300奈米，耦合損失小於2dB。
在材料方面，具備100GHz高頻寬，而且光學損失夠低的調變器，很難在矽或鍺材上實現，所以必須引進鈮酸鋰(LiNbO3)、鈦酸鋇(BaTi03)或發光團聚合物等「特殊」光電材料。目前我們正在努力投入研發，尋找在矽光子製程進行非CMOS材料混合整合或異質整合的技術途徑，例如探索微轉印(Microtransfer Printing)等技術。此外，imec設於根特大學的IDLab實驗室近期也在展示矽鍺(SiGe)製成的BiCMOS類比前端電子元件，這些元件能在每通道200Gbps的傳輸速率下驅動矽光子調變器及光偵測器。
雲端/AI應用頻寬需求孔急 矽光子技術將成重中之重(1)
