什麼是矽光子? 積體光學跟積體電路差在哪? CPO又在說啥?
[Introduction]
台灣身為半導體王國，除了從業人員眾多，貢獻龐大的GDP，相關的新聞議題討論也非常熱烈，即使是早餐店阿姨都可以說出台積電最先進的製程節點是多少。半導體晶片充斥於生活的每個角落，儼然成為21世紀最珍貴的資源。
晶片的正式名稱是積體電路(Integrated Circuit, 以下簡稱IC)，積體電路是將電子元件用半導體製程的技術整合至半導體晶圓上。IC 利用電流作為傳輸訊號，藉由各種不同方式處理電訊號(放大、開關、濾波…)，以達到電子產品的功用。IC 是目前最被廣泛運用的晶片，而今天，我想要介紹另一種正在快速崛起的晶片技術 — 光子晶片(或稱矽光子)。
自從去年的Semicon TW 後，矽光子技術一再被提起。跟該領域沾邊的公司股價皆有了明顯波動，產業新聞也充斥著矽光子相關概念股的整理。但科技新聞中一下矽光子、一下CPO的，這些名詞再偶爾夾雜著一些光學相關知識，相信有許多人看得暈頭轉向。今天就讓小弟幫大家整理了各種疑惑的名詞，廢話不多說就讓我們看下去~
[光子積體電路, Photonic Integrated Circuit, 以下簡稱PIC]
光子積體電路是將不同功能的光學元件(發光、收光、分光、耦合光、濾波…)，利用半導體製程的技術把他們整合在一個晶片上。並使用光作為訊號源，讓光訊號在光子晶片內進行各種訊號處理。
PIC 和 EIC(Electrical Integrated Circuit, 以下簡稱EIC) 的概念非常像，都是利用半導體製造技術將光子/電子元件微縮至一個面積非常小的晶片裡。接著在晶片內處理相對應的訊號源(光/電訊號)。雖說概念上很像，但在設計/製造/封裝上的考量及困難的點非常的不同，之後有機會再來做更詳細的介紹。
不同於 主流EIC 都是矽基製程(當然也有一些是砷化鎵製程)，目前 PIC 的製程技術仍百家爭鳴: 有矽基的、有基於三五族的、有氮化矽的、有鈮酸鋰的、甚至是使用聚合物製程的。由於不同材料的光學特性以及製程技術的不同，目前沒有任何一個PIC的材料平台是佔壓倒性優勢的。而其中矽基平台所製造的PIC，就是矽光子。
[矽光子, Silicon Photonics]
矽光子技術指的是 “使用矽平台的製程技術製造的光子晶片”，嚴格來說不能用來泛指所有的光子晶片，因為還有基於其他平台其他材料平台的光子晶片，如前面所提到的三五族半導體等等。
目前台廠在PIC領域也大多從矽平台切入，也因此媒體報導也皆以”矽光子”來稱呼這個技術。但更通用的稱呼應該是光子晶片(Photonic Integrated Circuit) 或積體光學(Integrated Photonics)。
那為什麼台廠多由矽製程開始切入呢?
矽光子技術相對其他材料平台比起來，最大的優勢便是先進而且成熟的製造技術。若光子晶片可以和邏輯IC的製造技術相容，那就可以直接搭上CMOS製程的順風車。除了設備、製程技術的學習曲線大幅縮短外，製程控制(Process control)的能力也遠比其他材料平台優秀。如此一來，便能提高產能，降低成本，並且更容易商轉量產!
而邏輯IC恰好又是台廠最擅長的領域，就成為最完美的切入點啦~
目前以矽基平台製造PIC的主流公司有台積(TSMC)、美國的Global Foundries、以色列的高塔半導體(Tower Semiconductor)、以及新加坡的Advance Micro Foundry等等。
[共同封裝光學, Co-Package Optics, 以下簡稱CPO]
共同封裝光學指的是 “將光學晶片/模組以及電子晶片模組封裝在一起” 的技術。
以收發模組的應用為例，傳統的光電整合方式會將光學模組以”插拔式模組”的方式整合在印刷電路板(PCB)的邊緣，訊號再經由PCB板上的銅線傳輸至板內的電子晶片(通常是伺服器的ASIC)。由於在PCB板上會以電訊號在銅線內傳輸，除了傳輸頻寬有限制外，也會有損耗及散熱的問題。
而CPO技術則是將光學模組直接和電子晶片封裝至同一個載板上。如此便能大幅減少電訊號傳輸的路徑，減少能耗，並改善訊號的損耗及延遲。
所以說CPO跟矽光子的關係是甚麼呢?
CPO是一種用來把EIC和PIC封裝在一起的技術。當我們利用矽基CMOS製程製造/封裝PIC後，便可利用CPO技術，將光學模組和ASIC共同封裝在同一個載板上來提升系統效能。
[總結]
本篇文章對於三個矽光子領域常見的名詞提出解釋，分別是: 光子積體電路、矽光子、以及共同封裝光學。
再次快速複習:
光子積體電路(PIC): 將光學元件利用半導體製程技術微縮化至晶片上，並以光為訊號在晶片內進行訊號處理
矽光子(Silicon Photonics): 利用矽基的CMOS製程技術所製造/封裝的光子晶片
共同封裝光學(CPO): 將光學模組與電子晶片封裝在同個載板的先進封裝技術，可減少電訊號傳輸距離，改善訊號的損耗與延遲。
如果大家有任何相關問題，或是想知道其他積體光學領域相關的知識都可以在下方留言討論~
我們下次見!
[Reference]:
[1] https://www.ll.mit.edu/research-and-development/advanced-technology/microsystems-prototyping-foundry/integrated-photonics
[2] Photonic ICs, Silicon Photonics & Programmable Photonics — HandheldOCT webinar by Ghent university, Photonic research group
[3] 工研院
