高科大/臺大攜手發(fā)表1600G硅光子晶片技術

  ICC訊 5G時代來臨，云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硅制程發(fā)展的硅光子晶片，被視為最有潛力的技術。高科大與臺大合作發(fā)表超世代大容量硅光子晶片，其傳輸架構由高科大電機與資訊學院院長施天從教授于2018年所提出的4波長、4光纖傳輸結構，晶片尺寸為5mm x 5mm，采用PAM4訊號格式，總傳輸率可達到1600G，為目前相關研究領域中，單位晶片面積上的總傳輸率最高的發(fā)射端硅光子晶片，并已經初步驗證通過1600G傳輸之可行性。

  2019年美國最大的電信系統(tǒng)設備商思科(Cisco)分別以28.4億美元并購硅光子技術廠商Acacia Communications，6.6億元并購硅光子晶片模組制造商Luxtera，以擴充思科在企業(yè)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市場有第一名市占率，同時亦已經推出商用的400G硅光子晶片及模組。
  硅光子技術結合了兩個20世紀最重要的發(fā)明：硅積體電路和半導體雷射。與傳統(tǒng)的技術相比，硅光子晶片能讓資料傳輸速率更快、距離更長。目前許多國際云端服務商，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，在美國圣地牙哥舉行的光網路及通訊會議展覽(OFC 2020)，亦有多家系統(tǒng)及模組廠商展示400G甚或800G的技術。
  臺灣半導體制造技術執(zhí)全球牛耳，晶圓廠的互補型金氧半(CMOS)硅制程技術領先全世界，硅光子技術即是匹配運用互補型金氧半硅制程技術發(fā)展的光電晶片，相當適合臺灣高科技產業(yè)發(fā)展。若臺灣相關的半導體廠商能透過產能支援與學界合作，對于臺灣發(fā)展硅光子技術非常有幫助，同時也能協助臺灣制造業(yè)及早在硅光子制程領域建立自主元件資料庫及智財權布局，待產業(yè)起飛時必能占據最佳的產業(yè)地位。光電元件積體化目前還屬于發(fā)展初期，硅光子晶片復雜程度高，制程解析度越高，訊號的精確度越好，元件的效能才能有效發(fā)揮，因此硅光子技術的實現需要先進制程的搭配。
  該專案計畫規(guī)劃于四年提撥新臺幣3.2億元發(fā)展硅光子技術，由硅光子技術之先驅者臺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(fā)與系統(tǒng)晶片架構設計，第三年完成系統(tǒng)晶片制作與性能優(yōu)化，第四年完成系統(tǒng)展示并能將技術與廠商進行后續(xù)之應用與推廣。計畫執(zhí)行期間將培植研發(fā)團隊利用硅光子平臺整合元件、光路與電路而組成生醫(yī)感測、光感測以及光連結等應用的光電系統(tǒng)晶片。該計劃自2018年開始執(zhí)行，本次發(fā)表的1600G硅光子晶片，即為該專案計畫支持的五件研究計畫之一的成果。
  本次發(fā)布的超世代大容量1600G硅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于2018年所提出領先全球的前瞻性4波長、4光纖的傳輸結構，并由臺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(fā)射端的硅光子晶片。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，采用PAM4訊號格式，其總傳輸率可達到1600G。
  臺大光電所黃定洧教授表示，本硅光子晶片之完成，利用共用晶片方式送至比利時IMEC完成半導體制程，并依據設計制作完成硅光子晶片。同時感謝共同建構硅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，臺大林恭如教授及所負責的臺大與Tektronix聯合實驗室的高速光傳輸量測協助，共同驗證本硅光子晶片具有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。本硅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(xù)獲得科技部補助，進一步優(yōu)化硅光子晶片性能，并建構完成整個光引擎模組，厚植臺灣于此新世代硅光子技術之實力。