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
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

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?

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矽光子技術泛指將許多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,做成微型化的晶片,主要應用在資料中心做短距離傳輸資料。
圖/ shutterstock

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。

矽光子原理_傳送端使用光發射模組,接收端使用光接收模組。.jpg
圖/ 曲建仲

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。

矽光子原理_傳統光收發模組的內部組成與外觀構造.jpg
傳統光收發模組的內部組成與外觀構造。
圖/ lumenci.com
矽光子原理2_傳統光收發模組的內部組成與外觀構造.jpg
傳統光收發模組的內部組成與外觀構造。
圖/ lumenci.com

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。

矽光子原理_傳統插拔式光收發模組(Transceiver)與共同封裝光學(CPO)示意圖.jpg
傳統插拔式光收發模組(Transceiver)與共同封裝光學(CPO)示意圖。
圖/ 工研院

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。

矽光子原理_使用共同封裝光學(CPO)製作的光交換機。.jpg
使用共同封裝光學CPO製作的光交換機。
圖/ 思科(CISCO)

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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圖/ 數位時代

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圖/ 數位時代

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