矽光子是什麼？真正的矽光子概念股有哪些？圖解矽光子原理|數位時代 BusinessNext

AI時代下，矽光子因為有著高效能、低功耗及小尺寸等特點，正迅速成為產業界焦點。近期矽光子（CPO）概念股表現亮眼，包括光焱科技（7728）、台積電（2330）等，但究竟矽光子是什麼？真正的矽光子概念股有哪些？

生成式人工智慧需求看漲，帶動資料傳輸需求，再加上台積電在半導體展上分享矽光子（SiPh：Silicon Photonics）技術進度，讓矽光子成為一躍成市場當紅炸子雞，矽光子概念股也獲得高度關注，即便AI概念股近期熄火，矽光子概念股仍逆勢發光。台積電總裁魏哲家也提到，當前成長中的需求都需要大量數據傳輸，台積電也著手研發矽光子技術多年，未來有望藉由矽光子技術，推出能源效率更好的晶片產品。

但究竟矽光子背後原理是什麼？怎樣的概念股，才算是「真正的」矽光子概念股呢？

矽光子（SiPh：Silicon photonics）是什麼？

目前的電腦都是使用電訊號進行資料運算，可以使用電訊號或光訊號進行資料傳輸，由於光訊號的頻寬比電訊號高出許多，因此資料中心的伺服器之間目前大多使用光訊號傳輸，伺服器會先經由「光發射模組」將電訊號的「開與關」轉換成光訊號的「亮與暗」再送入光纖，傳送到接收端再經由「光接收模組」將光訊號的「亮與暗」轉換成電訊號的「開與關」，如下圖所示。

可以傳遞電磁波訊號的介質稱為「波導(Waveguide)」，因為光是一種電磁波，因此可以傳導光的介質稱為「光波導(Optical waveguide)」，光纖(Fiber)是用來傳遞光訊號最基本的光學元件，因此光纖就是一種光波導，但是光通訊系統必須處理光訊號的分光、合光、切換、調變等，因此除了光纖以外，仍然需要其它可以處理光訊號的元件，我們稱為「光波導元件」或「積體光學(OIC：Optical Integrated Circuit)」。

製作積體光學元件的主要材料有「氧化矽（Silica）」與「矽（Silicon）」兩種：

** 氧化矽（Silica）** ：折射率大約1.5，是石英或玻璃的主要成分，其中二氧化矽的單晶又稱為「石英（Quartz）」，二氧化矽的非晶又稱為「石英玻璃」，外觀呈透明無色，另外一種光學性質與氧化矽很像的材料是「玻璃（Glass）」，玻璃是氧化鉀、氧化鈉、氧化矽的混合物，外觀呈透明無色，由於是混合物，光穿透時損耗比較大，這些材料的光學性質都不錯，可以直接在上面製作折射率較大的光波導。

** 矽（Silicon）** ：折射率大約3.5，就是晶圓廠使用的矽晶圓，雖然矽晶圓在外觀上不透明，看起來光波好像無法穿透，但是光通訊產業所使用的光源都是「紅外光」，紅外光可以穿透矽晶圓，只是損耗比較大而已，由於矽晶圓的製程比較成熟，所以許多公司都試著發展這種技術，使用矽晶圓做為光波導元件再整合其他主動與被動光學元件通稱為「矽光子（Silicon photonics）」。

簡單地說，目前產業上都是使用矽晶片來製作運算元件， 未來如果能夠把處理光訊號的「光波導元件」整合到矽晶片上，讓矽晶片同時處理電訊號的運算與光訊號的傳輸，就稱為「矽光子（Silicon photonics）」 ，可以縮小元件尺寸，減少耗電量，降低成本，但是目前這種矽光子元件門檻較高，技術還不成熟。

延伸閱讀：台積電：矽光子、消費性AI是新機會！魏哲家為何看好？

傳統光收發模組，是低階的封裝技術

目前商業上已經成熟量產的「光收發模組（Optical transceiver）」是結合「傳送光學子系統（TOSA）」與「接收光學子系統（ROSA）」。

傳送光學子系統（TOSA：Transmitter Optical Sub-Assembly） ：將左側金手指輸入的電訊號，經由雷射驅動器來驅動雷射二極體（LD）轉換成光訊號，傳送到右側的光纖輸出。

接收光學子系統（ROSA：Receiver Optical Sub-Assembly） ：將右側光纖輸入的光訊號，經由光偵測器(PD)與轉阻放大器(TIA)轉換成電訊號，傳送到左側的金手指輸出。

由上圖可以看出，目前商業上已經成熟量產的光收發模組都是低階的封裝技術，用圖中綠色的印刷電路板（PCB）結合雷射二極體（LD）與光偵測器（PD）等元件，金屬走線距離長，元件尺寸大，耗電量高。而矽光子元件門檻較高，技術還不成熟，該怎麼辦呢？因此科學家想到，可以使用「先進封裝」的方式，把運算用的矽晶片與光收發模組包裝在一起，我們稱為「共同封裝光學（CPO：Co-Packaged Optics）」。

共同封裝光學（CPO），是矽光子的前哨站

傳統光交換機是將矽晶圓製作的數位交換晶片與光收發模組（Transceiver）使用印刷電路板（PCB）連接起來，交換晶片（黑色）與光收發模組（紅色）距離較遠，元件尺寸大耗電量高，如圖a所示；而共同封裝光學（CPO）是將矽晶圓製作的數位交換晶片（黑色）與光收發模組（紅色）直接利用先進封裝包裝在一起，元件尺寸小耗電量低，如圖b所示。

而台積電很早就投入這個領域，針對數據中心市場推出了新型的先進封裝技術「緊湊通用光子引擎（COUPE：Compact Universal Photonic Engine）」。

下圖是思科（CISCO）與智邦（Accton）合作開發的光交換器，圖中的數位交換晶片就是使用共同封裝光學（CPO）技術將數位交換晶片與光收發模組包裝在一起，取代傳統的插拔式光收發模組，並以外接雷射的方式提供矽光子晶片光源，但是其中最關鍵的共同封裝光學技術大部分是掌握在國外廠商手中，例如英特爾（Intel）、博通（Broadcom）、Cisco/Luxtera/Lightwire/Acacia、Juniper/Aurrion等。

矽光子可以應用在什麼領域？

矽光子（SiPh）技術泛指將許多原本是分立的電子元件與光學元件，利用成熟的矽晶圓與半導體製程，製作成微型化的晶片，用來取代傳統「光收發模組（Optical transceiver）」，目前主要應用在資料中心做為短距離傳輸資料，或是應用在長矩離光纖網路。

未來如果矽光子技術成熟，甚至可以取代現在的印刷電路板或導線載板上的銅導線，用光訊號取代電訊號，應用在晶片到晶片之間的資料傳輸，可以有效提高元件密度、縮小元件體積，增加傳輸速率，提高可靠性與良率，同時由於使用矽晶圓製作，可以兼具量產與成本優勢。

到底誰才是「矽光子概念股」？

由於矽光子元件門檻較高，技術還不成熟，所以會先以「共同封裝光學（CPO）」的方式實現，慢慢才會達成完全「矽光子」的終極目標。目前真正在設計或製作矽光子或CPO的，主要就是晶圓廠或封裝廠，例如台積電或日月光，由於CPO的產品才剛開始，要到2024或2025年才會放量。

而大家現在看到媒體上報導的「矽光子概念股」大部分是在做傳統光收發模組或元件的廠商。由於目前大部分資料中心仍然是使用傳統光收發模組，因此這些廠商最近業績成長主要是因為資料中心需求增加，和矽光子關係不大。

等到CPO開始放量，甚至矽光子技術成熟，將會取代傳統光收發模組，使傳統光收發模組用量大減，這些廠商如果技術沒有跟上，未來可能會慢慢被邊緣化，所以是利多還是利空必須個別判斷？千萬別再弄錯方向了唷！

延伸閱讀：矽光子是什麼？圖解矽光子：原理是什麼？概念股有哪些？

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責任編輯：林美欣

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