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高科大/台大攜手發表國產1600G矽光子晶片技術

文‧廖專崇 發布日期:2020/05/21 關鍵字:矽光子 1600G PSM4 400G 陣列波導光柵

5G時代來臨,雲端應用的數據中心需要極大容量的傳輸能力。目前利用先進半導體矽製程發展的矽光子晶片,被視為最有潛力的技術。高科大與台大合作發表超世代大容量矽光子晶片,其傳輸架構由高科大電機與資訊學院院長施天從教授於2018年所提出的4波長、4光纖傳輸結構,晶片尺寸為5mm x 5mm,採用PAM4訊號格式,總傳輸率可達到1600G,為目前國內外相關研究領域中,單位晶片面積上的總傳輸率最高的發射端矽光子晶片,並已經初步驗證通過1600G傳輸之可行性。

高科大與台大1600G矽光子晶片技術開發團隊

2019年美國最大的電信系統設備商思科(Cisco)分別以28.4億美元併購矽光子技術廠商Acacia Communications,6.6億元併購矽光子晶片模組製造商Luxtera,以擴充思科在企業端、數據中心及電信運營商的市場。而全球半導體晶片領導廠商的英特爾(Intel)在100G PSM4市場有第一名市佔率,同時亦已經推出商用的400G矽光子晶片及模組。

矽光子技術結合了兩個20世紀最重要的發明:矽積體電路和半導體雷射。與傳統的技術相比,矽光子晶片能讓資料傳輸速率更快、距離更長。目前許多國際雲端服務商,如亞馬遜(Amazon)、臉書(Facebook)、谷歌(Google)、蘋果(Apple)、微軟(Microsoft)等皆投入大量資源建置更大型的資料中心。這些新資料中心的需求就是必須儲存更多的數據,更快的資料傳輸速度,以及更低的消耗功率,因此在有限的廠房空間,必須使用相同尺寸,但是可以倍數提升傳輸位元率的模組。而今年不因肺炎疫情停擺,在美國聖地牙哥舉行的光網路及通訊會議展覽(OFC 2020),亦有多家系統及模組廠商展示400G甚或800G的技術。

1600G矽光子發射器晶片架構

 台灣半導體製造技術執全球牛耳,晶圓廠的互補型金氧半(CMOS)矽製程技術領先全世界,矽光子技術即是匹配運用互補型金氧半矽製程技術發展的光電晶片,相當適合台灣高科技產業發展。若台灣相關的半導體廠商能透過產能支援與學界合作,對於台灣發展矽光子技術非常有幫助,同時也能協助台灣製造業及早在矽光子製程領域建立自主元件資料庫及智財權布局,待產業起飛時必能占據最佳的產業地位。光電元件積體化目前還屬於發展初期,矽光子晶片複雜程度高,製程解析度越高,訊號的精確度越好,元件的效能才能有效發揮,因此矽光子技術的實現需要先進製程的搭配。

科技部的矽光子積體電路專案計畫是陳良基部長極力推動的半導體射月計畫之衍生項目,該專案計畫規劃於四年提撥新台幣3.2億元發展國內矽光子技術,由國內矽光子技術之先驅者台科大李三良教授負責專案計畫辦公室。預期前二年完成核心技術開發與系統晶片架構設計,第三年完成系統晶片製作與性能優化,第四年完成系統展示並能將技術與廠商進行後續之應用與推廣。計畫執行期間將培植國內研發團隊利用矽光子平台整合元件、光路與電路而組成生醫感測、光感測以及光連結等應用的光電系統晶片。該計劃自2018年開始執行,本次發表的1600G矽光子晶片,即為該專案計畫支持的國內五件研究計畫之一的成果。

高科大電機與資訊學院院長施天從教授(前排右三)領導的1600G矽光子晶片技術開發團隊

本次發布的超世代大容量1600G矽光子晶片之傳輸架構由高科大電機與資訊學院院長施天從教授於2018年所提出領先全球的前瞻性4波長、4光纖的傳輸結構,並由台大光電所黃定洧教授負責設計,以4x16陣列波導光柵(AWG)分波多工器,混成16路光調變信號,完成發射端的矽光子晶片。利用此新型之分波多工器,可以用最精簡的光路配置連接各元件。此外,此晶片之尺寸為 5mm x 5 mm,採用PAM4訊號格式,其總傳輸率可達到1600G。

台大光電所黃定洧教授表示,本矽光子晶片之完成,利用共用晶片方式送至比利時IMEC完成半導體製程,並依據設計製作完成矽光子晶片。同時感謝共同建構矽光子元件技術的中研院張書維研究員、成大曾碩彥教授及高科大吳曜東教授的一起努力,也感謝中興大學劉浚年教授、中山大學洪勇智教授、及TSRI提供之光纖耦光量測協助,台大林恭如教授及所負責的台大與Tektronix聯合實驗室的高速光傳輸量測協助,共同驗證本矽光子晶片具有1600G的傳輸的可能性。

研究計畫主持人,高科大電機與資訊學院院長施天從教授指出,非常高興能與國內頂尖大學團隊合作,有效鏈結南北學術能量,得以建構完成整個光引擎所需要的元件與技術。本矽光子元件及傳輸架構已經由相關單位申請專利中,希望團隊能持續獲得科技部補助,進一步優化矽光子晶片性能,並建構完成整個光引擎模組,厚植台灣於此新世代矽光子技術之實力。

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