矽光子是什麼？用光配線的晶片原理

生活中的例子

看影片、或向AI聊天機器人提問時，資料都會經過資料中心。資料中心是擺放大量伺服器（負責計算的電腦）的建築物。伺服器之間，以及負責分配資料去向的設備，主要用光纖連接。

光纖的兩端，插著用手指就能捏起來的小元件。它把電訊號轉成光送出，再把收到的光變回電，稱為光收發模組。光在光纖中前進的原理，在「網際網路怎麼傳送資料？」中也有提到。

在這個光收發模組裡工作的，就是矽光子晶片。例如Intel在2016年，開始出貨使用這項技術、每秒100 Gb（Gb是十億位元）的產品。根據該公司的產品頁面，從2016年起出貨的晶片已超過800萬顆（截至2025年）。

為什麼用光，而不是用電來傳送

電的配線，是讓銅線的電壓升高、降低，來傳送0與1。要傳得快，就必須快速重複升降。但變化越快，電流越只集中在導線表面附近流動，變成熱而損失的部分也會增加。支撐導線的基板材料，也是變化越快，吸收的訊號能量越多。

因此電訊號傳得越快、越遠，就會越弱，波形也越走樣。為了讓接收端能讀取，需要把訊號放大、修整波形的電路，而這些電路會耗電。晶片內細導線造成延遲的原理，在「時間常數RC是什麼？」中說明。

光纖的情況就不同了。通訊用的紅外光，前進1 km也只減弱約4%。即使讓光明滅得更快，在光纖中減弱的程度也幾乎不變。這裡為了簡化，省略了光的顏色範圍造成的波形走樣。

不過用光傳送時，兩端必須在電與光之間轉換。轉換元件也需要電力和費用，所以極短的距離至今仍使用銅線。NVIDIA在2024年發表的GB200 NVL72，在1個機櫃中裝了72顆GPU（負責AI計算的晶片）。連接它們的，是大約5,000條銅纜線。

矽光子是什麼

矽光子，是在矽晶圓（製作晶片的圓形薄板）上製作光電路的技術。用光把電路圖形印上去，再削掉不要的部分，製程和一般晶片很相似（「半導體晶片是怎麼做出來的？」）。因此，能把細小的元件以相同形狀大量製造。

矽能用在光電路上，是因為它能讓通訊用的紅外光順利通過。物質會吸收光，是在光粒子的能量，大於把電子往上推所需的能量階差時。這個階差稱為能隙。對矽來說，波長比約1,100 nm長的光能量不夠，幾乎不被吸收就穿過去。對通訊使用的1310 nm或1550 nm的光而言，矽就像一片透明的板子。

1片晶片上主要製作3種元件：光的通道、讓光明滅的元件，以及把光變回電的元件。下圖表示傳送端與接收端的流程。

元件1：光的通道「光波導」

在光纖中，光是在玻璃的細芯裡前進。在晶片上擔任同樣角色的是光波導，矽光子用細的矽線當作芯。線的周圍，用和玻璃成分相同的氧化矽包住。

光在物質中，前進得比在真空中慢。表示變慢多少的數字稱為折射率，數字越大，前進越慢。以通訊用的光來比較，矽約為3.5，氧化矽約為1.45。

光從前進較慢的物質，以淺角度射向前進較快的物質時，會在交界處全部反射回去。這稱為全反射。矽芯中的光，會在與周圍氧化矽的交界處不斷反射，不會跑到外面，一路前進。

折射率的差越大，越能把光緊緊地關在小小的芯中。常用的芯截面，寬約0.5 µm、厚約0.22 µm。比頭髮的粗細（約0.05〜0.1 mm）的百分之一還要細。即使急轉彎，光也不容易漏出，所以能把元件密密地排在狹小的地方。

元件2：讓光明滅的「調變器」

雷射保持點亮，光的強弱交給另一個元件來決定。這個元件稱為調變器。在矽中，是用電壓增減光波導裡的電子或電洞（電子的空位）的數量。這樣折射率會稍微改變，光波的前進就會稍微延遲或提前。

不過，只讓波稍微錯開，光的亮度並不會改變。因此馬赫-曾德調變器會把光分成2條路，只讓其中一邊的波錯開，再讓兩者合流。波峰與波峰對齊合流就變亮，波峰與波谷重疊就互相抵消而變暗。矽的折射率變化很小，所以路的長度要數mm。

另一種方法是使用環形共振器。在光波導的旁邊，放一個直徑10〜數十µm的小環狀光波導。這裡把波長不同的光稱為「顏色不同的光」（其實是眼睛看不見的紅外光）。只有環繞1圈的長度剛好是波長整數倍的那種顏色，才會進入環中不斷繞圈。2005年，美國康乃爾大學的團隊用直徑12 µm的環讓光明滅。

用電壓稍微改變環的折射率，進入環的顏色就會偏移。於是某個顏色的光，會在「直接通過」和「進入環而減弱」之間切換。它可以做得比馬赫-曾德型小得多，但有對溫度敏感的弱點（在課題一節說明）。

元件3：把光變回電的「鍺光偵測器」

在接收端，要把光變回電。使用的是受光時會流出電流的光二極體。光粒子被半導體吸收後，會產生成對的電子與電洞，這就成為電流。

但是，矽幾乎不吸收1310 nm或1550 nm的光。對光的通道有利的性質，在這裡反而成了缺點。所以，把和矽同屬14族元素的鍺（Ge），以晶體的形式長在光波導上。鍺的階差（能隙）較小，可以吸收這些光並轉成電流。

這樣做出的受光部分，稱為鍺光偵測器。鍺可以長在矽上，也容易和矽晶圓廠的製程搭配。因此，接收端的元件也能整合在同一片晶片上。

只有雷射要另外準備

只有光源無法用矽製作。矽是間接能隙半導體，電子與電洞相遇時，能量大多變成熱而不是光。詳細內容請見「半導體雷射是什麼？」和「直接能隙與間接能隙半導體的差異」。

因此，要搭配擅長發光的InP（磷化銦）等材料做成的雷射。InP是由2種元素組成的半導體（化合物半導體）。方法大致有2種。一種是把InP的小片貼合到矽晶片上。另一種是把其他元件產生的光，經由光纖送進晶片。後者的優點是雷射能遠離發熱多的地方，也比較容易更換。

用途1：資料中心的光收發模組

最大的用途，是資料中心的光收發模組。乙太網路這種通訊方式的速度規格，是由技術人員組成的團體IEEE制定的。每秒400 Gb（400G）的規格在2017年12月、800G的規格在2024年2月獲得核准。

例如400G中稱為「DR4」的種類，是在4條光纖上各傳送每秒100 Gb的光，最遠送到500 m。800G的「DR8」，則是把它增加到8條的形式。相同功能的元件，要在1片晶片上精確地排列好幾組。把細小元件整齊排列，正是半導體工廠的拿手領域，所以矽光子很適合這種用途。

用途2：CPO與AI資料中心

現在的光收發模組，多半是插在交換器（分配資料的設備）前面板插槽上的形式。從中央的大晶片到插槽之間，用電路板上的電氣配線傳送訊號。隨著1條線傳送的速度提高，這一段的損耗和耗電逐漸成為問題。

因此，把光元件放進與交換器晶片相同封裝（收納晶片、並連接到電路板的座台）的方法，正逐漸走向實用。這稱為CPO（共同封裝光學）。電氣配線變得非常短，可以減少這部分的耗電。關於封裝，可以在「半導體封裝是什麼？」中讀到。

Broadcom在2024年3月宣布，已把CPO交換器交付給客戶。這是在每秒51.2 Tb（Tb是一兆位元）的交換器晶片上，搭配8個矽光子光元件而成。該公司表示，光的部分的耗電比插拔式少70%。NVIDIA也在2025年3月發表CPO交換器，表示電力效率提高為3.5倍。發表時的計畫，是在2025年到2026年依序供貨。兩個數字都是各公司用自己的比較方式提出的值。

AI的訓練，是把非常多的GPU連在一起，當成1台大型電腦來使用。NVIDIA表示，目標是用CPO連接數百萬顆GPU的規模。連接的數量越多，每條線耗電的小差異，在整體上就越大。讓光電路與電子電路越來越靠近的這股潮流，在日本也稱為光電融合。

尚待解決的課題

與光纖的接合處

標準光纖的芯，光通過的範圍直徑約9 µm。而晶片的光波導寬度只有約0.5 µm，大小相差約20倍。直接對接的話，大部分的光都會漏掉。

因此有一種方法，是把光波導的前端逐漸變細，讓光擴散開來，在晶片邊緣與光纖對接。也有在光波導上刻出細小溝槽，把光往晶片上方彎折取出的方法。不論哪一種，光纖的位置都要以µm為單位精確對準，組裝很費工，也很花錢。

對溫度敏感

矽的折射率會隨溫度改變。所以環形共振器吸入的顏色，溫度只要上升1 ℃就偏移約0.08 nm，10 ℃就是約0.8 nm。在1條光纖中傳送多種顏色的光的方式（WDM）中，有些顏色的間隔只有約0.8 nm。也就是說，溫度變化10 ℃，就會移到相鄰顏色的位置。因此環上要裝小型加熱器，以及監看溫度並調整的電路。這也需要耗電。

組裝與更換

插拔式光收發模組壞了，可以只拔下1個來更換。CPO的光元件在封裝內部，就沒辦法這樣做。組裝前的檢測變得很重要，也有把怕熱的雷射移到封裝外、讓它可以更換的設計。NVIDIA在2025年的發表中說明，雷射的數量減少到以往的四分之一。

常見的誤解

用數字來看

每秒51.2 Tb，相當於64個800G插槽。1個光元件負責其中的8分之1，也就是每秒6.4 Tb。

深入學習

• 發光的一端：「半導體雷射是什麼？」（也說明了使用1310 nm和1550 nm的原因）
• 用表格看差異：單模光纖與多模光纖的差異、NRZ與PAM4的差異（把光的強弱分成幾個階段）
• 下一步的用語：載子色散效應（用電子的數量改變折射率）、光柵耦合器與邊緣耦合器（與光纖的連接方式）、傳播損耗（光在光波導中減弱的比例）
• 用圖來看：馬赫-曾德調變器、環形共振器、矽光波導的截面，都有更詳細的圖（圖解一覽）
• 組合晶片的技術：「小晶片（Chiplet）是什麼？」「HBM是什麼？」
• 未來半導體的全貌：「微縮之後」