1、 工業技術研究院 權利所有。銅退光進趨勢下的矽光子材料和市場展望工研院產業科技國際策略發展所2024年5月29日Silicon Photonics Technologies,Materials and Market張崇學ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。2矽光子技術路線與市場趨勢12矽光子關鍵元件及材料解析3矽光子供應鏈競合分析圖片來源：Dreamstime授權使用ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。3矽光子技術路線與市場趨勢12矽光子關鍵元件及材料解析3矽光子供應鏈競合分析c
2、cweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。4全球矽光子技術領導業者 Intel：矽光是結合 20 世紀兩個重要發明矽積體電路和半導體雷射 光透過光纖傳輸相較於電透過銅傳輸，具有低損耗、高頻寬、不易受電磁波干擾、傳輸距離遠等優勢 然而擔任光纖通訊光電轉換、傳輸和接收重要功能的光收發器，因矽基半導體不會發光，導致電子晶片EIC、光學晶片PIC多由互相獨立的供應鏈生產封裝，最後再交由模組廠進行連接組裝 傳統可插拔式光收發器(Transceiver)結構光發射元件TOSA和PIC半導體雷射LD光接收元件ROSA和PIC光感測晶片PD光纖接口TOSA&R
3、OSA PCB上的EIC插槽資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。5AI 引領銅退光進趨勢，讓高度整合、低傳輸損耗的矽光子找到突破口傳統光收發器矽光子光收發器元件離散的電子和光學元件整合在矽晶片上傳輸損耗高低製造流程複雜高度整合組裝自動化程度低自動化程度高產品信賴度低高技術門檻低高成本低隨傳輸速度增加會更具成本效益 隨著資料中心運算能力的增加，傳統光收發器的傳輸損耗問題持續擴大，讓高度整合的矽光子技術開始顯現其優勢，據傳Google已在最新的資料中心，開始佈署800G的矽光子光收發器 傳統光收發器 vs 矽光子光
4、收發器資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。6矽基半導體不會發光，最大挑戰之一自然是如何整合 PIC 特別是雷射和光放大器的 III-V 族化合物半導體，其磊晶結構很難在矽晶圓上堆疊Die to wafer bondingFlip-chip integrationTransfer printing流程1.在III-V族晶圓上先做好PIC磊晶片(Die)2.在矽晶圓上做好線路設計3.將PIC磊晶片Bonding在矽晶圓上4.透過蝕刻等程序製作雷射完整結構1.在III-V平台上製作完整的雷射晶片2.將雷射晶片倒裝並焊
5、接在矽晶片上1.在III-V平台上製作完整的雷射晶片2.Stamp橡膠Pick-and-place，一次性大量轉移雷射晶片至矽晶片上優點 不用精準對位、整合程度高 技術簡單、可在現有產線生產 提升Flip-chip integration的效率缺點 技術門檻高、需設資新產線 需準精對位、生產效率低 尚未有成熟設備可供使用代表業者Intel、Scintil Photonics、SkorpiosCisco(Luxtera)、AMFImec、X-Celeprint123412123資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。
6、7採用遠端雷射模組相對容易，不過整合所帶來的功耗和體積下降有限MI 是將所有結構在同片矽晶圓上製作(終極目標)，但商用化難度很高Remote laser moduleMI(Monolithic integration)流程1.將雷射獨立封裝模組化2.其它元件則儘量整合在矽半導體平台中製作3.整合好的晶片再與雷射模組進行連接1.利用應力緩衝層，在矽晶圓上堆疊III-V化半材料2.在同片矽晶圓上持續完成所有EIC、PIC結構優點 較易生產、可避免EIC溫度影響波長、雷射易更換 高度整合、傳輸損耗最低缺點 體積難微縮、功耗難下降 技術難度最高且雷射效率差，仍處於研發階段代表業者Cisco、Broad
7、com、Ayar LabsTower、Quintessent、Juniper、Imec、IQEMain boardFiberEPIC資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。8矽光子除了想解決可插拔式光收發器內部傳輸損耗之外隨資料中心頻寬的提升，光收發器與交換器之間的損耗也日益嚴重-25-20-15-10-5050G100G200G交換器ASICPCBPCB傳輸損耗接口損耗光收發模組損耗傳輸損耗(dB)交換器ASIC晶片與可插拔式光收發器(50200G不同傳輸速度)間的傳輸損耗 Nvidia最新AI平台Blackwe
8、ll將在2024Q3放量，Q4 CSP業者開始使用，接口配置會是400G/800G，明年有機會來到1.6T，AI加快了交換器與光收發器的迭代速度，近期多家業者加速1.6T模組的開發資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。9矽光子從光收發器開始，並朝向交換器晶片整合發展除了簡化傳輸介面之外，光收發器的 DSP 晶片被整合後，也能大幅降低功耗資料來源：工研院產科國際所CPO(Co-packaged optics)FiberASICOpticsInterposerPluggable opticsSwitch ASICSu
9、bstrateMain boardTransceiverFiberCopperOBO(On-board optics)ASICFiberNPO(Near-packaged optics)ASICFiberccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。10NPO 為目前較多業者青睞的路線除了比 OBO 傳輸距離更短之外，基板面積也比較小(性能升級成本較低)資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。11Broadcom 為全球 CPO 交換器商用進度領先業者採用 NPO 路
10、線與遠端雷射模組 CPO交換器由Broadcom、Nvidia、Marvell、Cisco、Intel主導，其中，Broadcom在交換器ASIC市佔領先，最為積極，除了Intel致力於雷射整合(具專利壁疊)外，其它業者多採取外部或遠端雷射方案 Broadcom宣稱其CPO交換器可降低至少30%功耗，據市調資料指出：ASIC採用台積電N5製程，搭配8個矽光子SiPh引擎，光纖接口由TE Connectivity和Ranovus合作開發，遠端雷射模組則與眾達合作開發 Broadcom RLM(remote laser modules)solution for CPO systemsSwitchA
11、SICSubstrateSiPhLaser資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。12隨 CPO 演進，最終希望將晶片間互連方式由電轉成光OpticsGPUInterposerSubstrateOpticsCPUHBMOptical channel Intel在OFC 2024展出Optical I/O解決方案，稱之為OCI(Optical compute interconnect)，採用3D封裝將PIC倒裝在EIC之上並透過矽穿孔TSV技術做訊號連接 新創企業Ayar Labs的矽光子Optical I/O產品已
12、進入小批量驗證階段，商用化進度領先，包括台積電、Nvidia、Intel、HPE、GlobalFoundries等AI硬體業者都有投資 晶片光互連技術Optical I/O資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。13矽光子應用滲透路線：光收發器 CPO Optical I/O並逐漸拓展至高速運算 HPC 與感測 Sensing 領域SiPhCommunicationSensingHPCOptical computingLiDAR&FOG(b)Consumer bio-sensorTelecomtransceiver
13、DatacomtransceiverCPO(a)Optical I/OMedical資料來源：工研院產科國際所(a)本文及以下投影片中的CPO為涵蓋OBO和NPO路線的廣義CPO(b)FOG:Fiber-optic gyroscopes，光纖陀螺儀ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。14預估 20222027 全球矽光子裸晶片市場 CAGR 達到 48.2%資料中心應用的 Transceiver、CPO、Optical I/O 將會是主要驅動力20222023E2024F2025F2026F2027FOthers0.60.91.12.1
14、2.55.2Telecom transceiver1.21.72.63.33.95.0Datacom transceiver18.427.156.985.2105.5134.2CPO64.0%Optical I/O15.1%Optical computing12.7%LiDAR&FOG5.0%Bio-sensor&medical3.2%20222027年矽光子裸晶片(Die)應用市場規模(億TWD)*2027年矽光子裸晶片Others預估細項佔比20.2144.4111.990.660.629.7資料來源：工研院產科國際所*原數據有誤，已於2024年16月11日更新ccweng2024/06/
15、28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。15矽光子技術路線與市場趨勢12矽光子關鍵元件及材料解析3矽光子供應鏈競合分析ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。16做為發光源的雷射是矽光子最為關鍵的元件之一為符合光纖傳輸環境，其波長選擇多為 850、1,310 或 1,550nm800900100011001200130014001500160017001800訊號衰減dB/km波長(nm)1234567850nm1,550nmGaAsInPInP1,310nm 光愈能避開光纖吸收意味著傳輸距離可以愈遠，因此損耗最低
16、的1,550nm多用在10km以上傳輸 雷射發光波長取決於材料能隙大小，光通訊應用中的850nm多使用GaAs材料，而1,310、1,550nm則使用InP材料 光通訊常用的波段窗口資料來源：工研院產科國際所ccweng2024/06/28 16:24產業科技國際策略發展所 工業技術研究院 權利所有。17光收發器雷射晶片多為 GaAs 的 VCSEL、InP 的 DML/EML由於矽會吸收 1,100 nm 以下的光，InP 雷射較易整合至矽晶片之中VCSEL垂直共振腔面射型雷射DML直接調變雷射EML電致吸收調變雷射晶圓基板GaAsInP傳輸距離3m 100m100m 10km10km光通訊常用波段850nm1,310nm1,310或1550nm功耗低中大波長熱穩度性佳差差雷射成本低中高矽光子雷射設計外部雷射為主可整合至矽晶片內可整合至矽晶片內GaAs substrateActive layerInP substrateActive layerGratingRidge waveguideInP substrateActive layerDMLEAMIsolation面射型雷射邊射型雷
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