光速革命，矽光子領航未來

一、矽光子市場：市場概況與技術演進

矽光子技術指的是，基於矽材料和 CMOS 技術製造的光通信技術。將光學元件（光波導、調製器、檢測器）集成到一個「矽基晶片」上，實現光訊號的產生、傳輸、調制和檢測。

目前已經廣泛使用的矽光子技術是以熱插拔光收發器（如下圖 GEN I）。也就是將硬體連接轉換模組再用光纖進行資料傳輸（簡單來說就是光纖的網路接頭，概念如傳統的 RJ45 接頭），主流的技術可以達到 800Gbps 甚至 1.6Tbps 的速度。

當前矽光子技術正從傳統的外接光收發模組，逐步轉向內部整合，目前已經成熟的技術可達成 GEN II 的技術（直接在 PCB 載板上進行光電轉換），但相較 GEN I 的熱插拔技術並沒有跨越式的提升，因此市場普及率並不高。

下一代的 GEN III 技術，也就是所謂的 CPO（共同封裝光學），利用 CMOS（互補性氧化金屬半導體）技術，實現矽光子技術的晶片化（PIC+EIC），直接在晶片層級進行封裝，是目前市場上較為期待的技術。

GEN IV 進一步將 PIC、EIC「垂直堆疊」進行封裝，而提到封裝，就不得不說到台積電的 CoWoS 技術，實現將主晶片（如 CPU、GPU、ASIC）與 HBM（高頻寬記憶體）進行整合封裝，供應 HPC（高性能運算）的需求。但因為工藝整合和散熱設計的限制，目前技術尚無法將主晶片、HBM 與 OE（光子引擎）三者同時進行封裝。因此，與 HBM 共同封裝的晶片多數仍採用 GEN I 的熱插拔光收發器來向外進行資料傳輸。

矽光子技術提供的高速率傳輸，目前主流是以 ASIC 為主晶片需求的雲端伺服器資料中心。因此，CPO（共同封裝光學）技術通常將 ASIC 晶片與光學引擎（OE，上圖粉紅色（PIC）結合黑色（EIC）的部分）進行共同封裝。

目前資料中心對於 HPC 的需求約占比 15~20%，而雲端伺服器的需求約占比 60~70%，其中雲端伺服器的需求是傳輸速度大於高性能運算，因此在封裝的考量上，會更傾向於將主晶片與 OE 共同封裝的 CPO 技術。

二、矽光子晶片：核心元件與運作機制

矽光子晶片的運作：

由外而內

外部「光纖」傳送進來的「雷射光源」生成的光訊號首先通過「光柵耦合器」進入晶片。進入晶片後，光訊號通過「光波導」傳輸通道在晶片內部進行高效傳輸。 「光調製器」隨即將電子訊號調製到光訊號上，完成從電子形式到光學形式的數據轉換，生成可傳輸的光調製訊號。在傳輸過程中，「光開關和分波器」對光訊號的路徑進行靈活控制，同時支持多波長訊號的合併與分離，進一步提升傳輸效率與功能。最終，光訊號到達「光檢測器」，轉換為電子訊號，並傳輸至主晶片（如 ASIC）進行後續的數據處理與分析，實現光電訊號的高效整合與傳遞。

由內而外

主晶片（如 ASIC）產生的電子訊號首先進入晶片內部的「光調製器」，將電子訊號調製成光訊號，完成從電子形式到光學形式的數據轉換。

調製後的光訊號通過「光波導」進行高效傳輸，並在傳輸過程中，由「光開關和分波器」靈活控制光路徑，同時支持多波長訊號的合併與分離，提升傳輸效率。隨後，光訊號通過「光柵耦合器」耦合出晶片，進入外部的「光纖」，最終傳送至外部系統或網絡，實現高效的光訊號輸出與傳輸。

核心元件與主要廠商

• 光波導：光傳輸通道。矽可以與 CMOS 技術相容，且其低損耗特性，所以多以矽為主材，又稱矽波導。主要廠商：Intel、Lumentum、Cisco。
• 光調製器：電訊號轉光訊號，透過改變光波的強度、相位或頻率來編碼資訊。主要廠商：Intel、Marvell、Lumentum。
• 光檢測器：光訊號轉電訊號。主要廠商：濱松光子、Coherent、Lumentum、Sony。
• 光柵耦合器：外部光纖與晶片的光耦合。主要廠商：Intel、Lumentum、台積電、GlobalFoundries。
• 光開關與分波器：控制光路徑與多波長訊號管理。主要廠商：Cisco、Coherent、Lumentum。
• 雷射光源：提供初始光訊號。主要廠商：Coherent、Lumentum、Broadcom。
• 光放大器。主要廠商：Coherent、Lumentum、Fujitsu、Sumitomo Electric。
• 封裝技術：2.5D/3D 封裝。主要廠商：台積電、Intel、三星電子、日月光（ASE）、Amkor。

目前光學核心元件領域，包括光調製器、光檢測器、雷射光源等高階光學元件的研發與設計，主要掌握在國外大廠，如 Intel、Coherent、Lumentum 等企業手中。

三、台灣矽光子聯盟：產業鏈剖析

台積電的 CoWos 技術能夠量產，象徵著台積電不只是先進製程的領先者，亦是先進封裝的領先者，再進一步整合 COUPE（緊湊型通用光子引擎）技術後，將多添一道先進封裝領域的護城河。

下圖是 Nvidia 在美國全球半導體領導大會（IEDM 2024）上發表與台積電合作發展的矽光子原型。目前矽光子技術即將量產的是右半邊的部分，交換器主晶片（如 ASIC）與 OE 共同封裝，再透過光纖向外連接。左半邊是將 HBM 與主晶片（GPU）整合在矽中介版（interposer）上，並且加入了 OE。或許是考量散熱的問題，並未使用 SoIC 垂直堆疊，而是使用 2.5D 封裝，將 GPU、HBM 使用矽中介板連接，再與 OE 共同封裝，是新一代 CPO 的應用技術。

與最初 CPO 模式差別在於，新一代發展的技術（左），將 HBM、主晶片、OE，三者共同進行封裝，無須再外接光收發器，這將大幅加速 AI 伺服器資料傳輸的速度。但距離實際商業化至少需要先解決光源整合到 OE 內的問題。

受惠於台積電先進封裝的地利優勢，台灣本土廠商也有更多機會能夠參與矽光子供應鏈，組成了台灣的矽光子聯盟，下方將針對參與矽光子聯盟的公司進行業務分類。

上游材料與元件供應商

• 環球晶圓：提供 SOI（絕緣體上覆矽）晶圓，為矽光子晶片的基礎材料。產業環節：矽基磊晶。
• 聯亞光電：提供三五族半導體：砷化鎵、磷化銦磊晶片。產業環節：三五族磊晶。
• 全新光電：提供三五族半導體：砷化鎵、磷化銦磊晶片。產業環節：三五族磊晶。

中游製造與測試封裝

• 聯發科：設計 ASIC 晶片與 EIC 結構。
• 台積電：CMOS 製程及先進封裝。
• 光環科技：光學主動元件製造，包括雷射二極體等。
• 日月光投控：專業的半導體封裝測試服務供應商。

下游模組與系統整合商

• 鴻騰精密：專注於高速光電互連模組及 CPO（共同封裝光學）技術的開發，服務於資料中心和 5G 通信應用。
• 眾達科技：提供光通信模組及光引擎技術，聚焦於矽光子光電轉換元件和多波長信號管理。
• 波若威：專注於光通信元件與模組，致力於矽光子技術中的高速光信號處理與模組集成。
• 光聖科技：生產光纖模組及相關元件，具備矽光子模組的光電轉換和多波長信號管理能力。
• 聯鈞光電：結合 CMOS 與 MEMS 技術，為矽光子系統提供光檢測與微型光學元件的封裝解決方案。
• 訊芯科技：專注於模組封裝與測試，支援矽光子光模組的高密度集成與可靠性驗證。

設備與檢測廠商

• 惠特科技：提供矽光子相關的製程設備與雷射元件檢測設備，支持產業製造需求。