高科大/臺(tái)大攜手發(fā)表1600G硅光子晶片技術(shù)

  ICC訊 5G時(shí)代來臨，云端應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心需要極大容量的傳輸能力。目前利用先進(jìn)半導(dǎo)體硅制程發(fā)展的硅光子晶片，被視為最有潛力的技術(shù)。高科大與臺(tái)大合作發(fā)表超世代大容量硅光子晶片，其傳輸架構(gòu)由高科大電機(jī)與資訊學(xué)院院長施天從教授于2018年所提出的4波長、4光纖傳輸結(jié)構(gòu)，晶片尺寸為5mm x 5mm，采用PAM4訊號(hào)格式，總傳輸率可達(dá)到1600G，為目前相關(guān)研究領(lǐng)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(jīng)初步驗(yàn)證通過1600G傳輸之可行性。

  2019年美國最大的電信系統(tǒng)設(shè)備商思科(Cisco)分別以28.4億美元并購硅光子技術(shù)廠商Acacia Communications，6.6億元并購硅光子晶片模組制造商Luxtera，以擴(kuò)充思科在企業(yè)端、數(shù)據(jù)中心及電信運(yùn)營商的市場。而全球半導(dǎo)體晶片領(lǐng)導(dǎo)廠商的英特爾(Intel)在100G PSM4市場有第一名市占率，同時(shí)亦已經(jīng)推出商用的400G硅光子晶片及模組。
  硅光子技術(shù)結(jié)合了兩個(gè)20世紀(jì)最重要的發(fā)明：硅積體電路和半導(dǎo)體雷射。與傳統(tǒng)的技術(shù)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(wù)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(chǔ)存更多的數(shù)據(jù)，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(shù)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(wǎng)路及通訊會(huì)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(shù)。
  臺(tái)灣半導(dǎo)體制造技術(shù)執(zhí)全球牛耳，晶圓廠的互補(bǔ)型金氧半(CMOS)硅制程技術(shù)領(lǐng)先全世界，硅光子技術(shù)即是匹配運(yùn)用互補(bǔ)型金氧半硅制程技術(shù)發(fā)展的光電晶片，相當(dāng)適合臺(tái)灣高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展。若臺(tái)灣相關(guān)的半導(dǎo)體廠商能透過產(chǎn)能支援與學(xué)界合作，對于臺(tái)灣發(fā)展硅光子技術(shù)非常有幫助，同時(shí)也能協(xié)助臺(tái)灣制造業(yè)及早在硅光子制程領(lǐng)域建立自主元件資料庫及智財(cái)權(quán)布局，待產(chǎn)業(yè)起飛時(shí)必能占據(jù)最佳的產(chǎn)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(fù)雜程度高，制程解析度越高，訊號(hào)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(shù)的實(shí)現(xiàn)需要先進(jìn)制程的搭配。
  該專案計(jì)畫規(guī)劃于四年提撥新臺(tái)幣3.2億元發(fā)展硅光子技術(shù)，由硅光子技術(shù)之先驅(qū)者臺(tái)科大李三良教授負(fù)責(zé)專案計(jì)畫辦公室。預(yù)期前二年完成核心技術(shù)開發(fā)與系統(tǒng)晶片架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shù)與廠商進(jìn)行后續(xù)之應(yīng)用與推廣。計(jì)畫執(zhí)行期間將培植研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用硅光子平臺(tái)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(jié)等應(yīng)用的光電系統(tǒng)晶片。該計(jì)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(jì)畫支持的五件研究計(jì)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(gòu)由高科大電機(jī)與資訊學(xué)院院長施天從教授于2018年所提出領(lǐng)先全球的前瞻性4波長、4光纖的傳輸結(jié)構(gòu)，并由臺(tái)大光電所黃定洧教授負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，以4x16陣列波導(dǎo)光柵(AWG)分波多工器，混成16路光調(diào)變信號(hào)，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(hào)格式，其總傳輸率可達(dá)到1600G。
  臺(tái)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(shí)IMEC完成半導(dǎo)體制程，并依據(jù)設(shè)計(jì)制作完成硅光子晶片。同時(shí)感謝共同建構(gòu)硅光子元件技術(shù)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(xué)劉浚年教授、中山大學(xué)洪勇智教授、及TSRI提供之光纖耦光量測協(xié)助，臺(tái)大林恭如教授及所負(fù)責(zé)的臺(tái)大與Tektronix聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的高速光傳輸量測協(xié)助，共同驗(yàn)證本硅光子晶片具有1600G的傳輸?shù)目赡苄浴?br />   研究計(jì)畫主持人，高科大電機(jī)與資訊學(xué)院院長施天從教授指出，非常高興能與頂尖大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，有效鏈結(jié)南北學(xué)術(shù)能量，得以建構(gòu)完成整個(gè)光引擎所需要的元件與技術(shù)。本硅光子元件及傳輸架構(gòu)已經(jīng)由相關(guān)單位申請專利中，希望團(tuán)隊(duì)能持續(xù)獲得科技部補(bǔ)助，進(jìn)一步優(yōu)化硅光子晶片性能，并建構(gòu)完成整個(gè)光引擎模組，厚植臺(tái)灣于此新世代硅光子技術(shù)之實(shí)力。