硅光子芯片的時(shí)代即將開(kāi)啟

　　正處于后摩爾定律時(shí)代，未來(lái)如何解決半導體物理極限的議題，也許將電腦進(jìn)化成光腦就能夠解決。

　　光腦是指用光子取代傳統的電子的電腦，IBM在2007年就已發(fā)展光子運算芯片，目前可分為光電混合電腦與純光子電腦。光電混合電腦使用雷射光脈沖傳輸資料，但部分芯片仍使用電子元件，故需要光電轉換，轉換過(guò)程中相對慢及耗能。

　　光子電腦不使用電子，改用光子加上折射鏡或分光鏡取代原有的邏輯閘來(lái)做資料傳輸及運算，比傳統電子傳遞過(guò)程會(huì )經(jīng)過(guò)帶有電阻的電線(xiàn)而損耗，光子沒(méi)有質(zhì)量、不須介質(zhì)傳遞，更能以光速前進(jìn)，一旦產(chǎn)生就不會(huì )額外耗能。光子傳遞甚至可以同時(shí)使用超過(guò)兩種不同波長(cháng)的光來(lái)取代二進(jìn)位訊號，大幅增加運算速度。

　　使用光來(lái)取代電子傳遞訊息時(shí)也并非沒(méi)有缺點(diǎn)，因為光波長(cháng)難以壓縮，過(guò)長(cháng)的波長(cháng)限制芯片體積微縮的可能。為解決此問(wèn)題，哥倫比亞大學(xué)研發(fā)一種光波導模式轉換的方法，在示范裝置中，超穎介面(metasurface)能讓傳遞的光波長(cháng)縮短為空氣中波長(cháng)縮小1.7倍，因此能縮小積體光學(xué)的大小。

　　光學(xué)裝置須要更精確的做工，因為光束傳輸的些微偏差會(huì )造成巨大的問(wèn)題，相對需要高技術(shù)及高成本?；萜諏?shí)驗室今年初宣布已開(kāi)發(fā)一種光整合電路裝置，使用1，052種光學(xué)元件組成，用光的偏振性質(zhì)編碼，比傳統芯片能更快速處理計算問(wèn)題。光子電路也適合做深度學(xué)習，麻省理工學(xué)院的研究團隊發(fā)表奈米光子處理器，控制光波導讓光產(chǎn)生干涉條紋，來(lái)進(jìn)行深度運算。光子電腦離要能實(shí)際應用，還有很多困難待克服，已有愈來(lái)愈多大廠(chǎng)投入研發(fā)，如惠普、IBM。從長(cháng)遠看來(lái)，光子運算有助人工智慧革命，為社會(huì )帶來(lái)更重大改變。

　　光傳輸技術(shù)與光整合電路最重要

　　在所有的光子技術(shù)中，光傳輸技術(shù)與光整合電路為最重要的次世代的技術(shù)，未來(lái)將對醫療技術(shù)、光電感測、太陽(yáng)能電池元件、遠紅外線(xiàn)光源及光顯示等應用產(chǎn)生革命性的影響。

　　市場(chǎng)研調機構Credence預估，光整合電路在2020年時(shí)的全球產(chǎn)值將達到13億美元，2015年至2020年產(chǎn)值年復合成長(cháng)率高達25.2%。MarketsandMarkets更指出，未來(lái)光子技術(shù)在電信傳輸與資料傳輸等應用將成長(cháng)最快，將于2020年達到200萬(wàn)美元，而消費性電子的光子技術(shù)應用也值得關(guān)注，預計在2020年產(chǎn)值也將達到150萬(wàn)美元。

　　光子因不具有電荷與質(zhì)量，擁有低能量耗損與不容易受到外界干擾的特性，能夠解決半導體在不斷微縮過(guò)程中，元件與導線(xiàn)的距離縮短導致電磁干擾導致操作延遲、能源損耗等相關(guān)的問(wèn)題。因此光子成為后摩爾定律時(shí)代中新興的重要技術(shù)。歐盟在2009年歐盟所提出Key Enabling Technologies(KETs)的五項技術(shù)，即包含光子技術(shù)。光子技術(shù)的節能特征，將隨著(zhù)倍數增加的運算、儲存需要而變得日益重要，各國也紛紛投入相關(guān)研究計劃支持。

　　歐盟第七期框架計劃就透過(guò)科技補助支持CMOS整合光電子技術(shù)(HELIOS)研究、光子制造技術(shù)平臺(PLAT4M)等計劃，協(xié)助將光子整合電路技術(shù)從科學(xué)研究變成商業(yè)產(chǎn)品并形成產(chǎn)業(yè)。進(jìn)入歐盟第八期歐盟框架計劃階段(Horizon 2020)，歐盟將光子技術(shù)的研發(fā)分為先進(jìn)技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究，主要目的是探索光子先進(jìn)技術(shù)，保持歐洲在光子技術(shù)上的領(lǐng)先;還有透過(guò)公私伙伴協(xié)力的方式，加速光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　美國在先進(jìn)制造伙伴2.0計劃預計以尖端制造業(yè)再復興創(chuàng )造美國的經(jīng)濟發(fā)展，提出15個(gè)創(chuàng )新研究中心，包含光整合電路創(chuàng )新中心，由紐約州立大學(xué)與美國能源局共同負責營(yíng)運。該創(chuàng )新中心主要提供光整合電路的標準化平臺，協(xié)助光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)擴散，將串聯(lián)設備制造商、材料供應商、軟件供應商、光整合電路生產(chǎn)商與研究者，透過(guò)多方合作，加快光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。美國國家科學(xué)基金會(huì )、美國國家航空暨太空總署等也投入光子尖端技術(shù)研發(fā)，包含LiDar技術(shù)、光處理器、先進(jìn)醫療光感測器、多光雷射等。

　　日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省與新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構在2012年展開(kāi)十年的光電子融合基礎技術(shù)研究，以確保日本在后摩爾時(shí)期，能在光整合電路相關(guān)技術(shù)上保有領(lǐng)先優(yōu)勢。至于前瞻光子技術(shù)的部分，日本文部科學(xué)省于2016年揭露研究目標與戰略分項所展開(kāi)的拓璞量子戰略，將量子運算、自旋電子學(xué)與光子技術(shù)列于重點(diǎn)技術(shù)，將于未來(lái)投入發(fā)展光子新的理論、使用單向傳播光波導的光整合電路、光學(xué)儲存設備、高功能單模雷射和向量光束。

　　中國大陸投入光子技術(shù)包含兩個(gè)部分：光通訊的技術(shù)追趕與光子技術(shù)彎道超車(chē)。在技術(shù)追趕部分，透過(guò)全國電子光學(xué)系統十三五標準化發(fā)展規劃，設立光子技術(shù)標準，透過(guò)制定標準提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)。國家重大科學(xué)研究計劃則建立自主的硅光子技術(shù)與研發(fā)平臺，透過(guò)中科學(xué)、大學(xué)與產(chǎn)業(yè)的合作，擬在關(guān)鍵的高性能的微奈米電光元件及其整合技術(shù)上，實(shí)現光子技術(shù)的彎道超車(chē)。光子技術(shù)是兼具科技前瞻性與市場(chǎng)應用性的技術(shù)，從產(chǎn)值估測可以得知，未來(lái)幾年光子技術(shù)應用將逐漸深入生活。因此各國無(wú)不投入研發(fā)資源，期望透過(guò)產(chǎn)官學(xué)研的資源整合，搶占光子技術(shù)未來(lái)商機與機會(huì )。

　　技術(shù)面面觀(guān)

　　光子芯片主要是將無(wú)數個(gè)光學(xué)系統整合在芯片上，就如同現今的半導體芯片，但將利用超微透鏡取代電晶體并以光子來(lái)進(jìn)行運算。光子芯片與傳統的半導體芯片相比，具有更高的運算效率以及訊息傳輸量，也兼具耗能低、運行過(guò)程中產(chǎn)生較少的熱，所以無(wú)須復雜的散熱設計等優(yōu)點(diǎn)，因此被認為在未來(lái)可延續摩爾定律，傳承舊有硅芯片的發(fā)展。

　　在眾多光子技術(shù)中，硅光子及其相關(guān)技術(shù)憑借其使用成本較低的硅與硅基襯底材料，并結合既有且技術(shù)成熟的CMOS技術(shù)，使其極其受到青睞，自2015年IBM公司研制硅光學(xué)芯片后，使該技術(shù)呈現爆發(fā)式的成長(cháng)，并使該技術(shù)自實(shí)驗室走入市場(chǎng)，吸引微軟、亞馬遜及Facebook等公司的青睞，因為這些公司的數據中心常在云端資料連結并處理巨量的資料時(shí)，受限于傳統的銅線(xiàn)以及低速光纖的傳輸量，造成運行效率低落。

　　而硅光子技術(shù)的發(fā)展，將可有效解決此問(wèn)題，以2016年Intel硅光100G PSM4 QSFP、以及Intel硅光100G CWDM4 QSFP所推出的收發(fā)器產(chǎn)品。憑借著(zhù)其微型、高速、低功耗的特性，可有效解決目前數據交換瓶頸及能耗問(wèn)題，該產(chǎn)品整合雷射與硅光子元件，透過(guò)調變技術(shù)，資訊傳輸速度可達每秒100GB，是傳統銅線(xiàn)傳輸的四倍，這將解決令各數據中心在運算能力上陷入困境的網(wǎng)絡(luò )瓶頸。但硅光子技術(shù)的應用不僅如此，包含高速電腦、感測器、生命科學(xué)、量子運算等高階應用，以及自駕車(chē)應用的光學(xué)雷達等需要大量交換資訊應用，也將受惠于該技術(shù)的發(fā)展。

　　在投入廠(chǎng)商方面，除Intel、IBM、思科、Imec等，因硅光子技術(shù)涵蓋半導體技術(shù)與光學(xué)技術(shù)，加上此技術(shù)帶來(lái)大量數據或訊息交換的應用，將會(huì )改變傳統通訊產(chǎn)業(yè)運作模式，Mellanox 、Luxtera等光通信公司及設備商華為等公司皆投入相關(guān)研究。