矽光子晶片需求時點漸現

矽晶電子微縮逐漸趨於緩步，眼前面臨的問題除了逼近物理尺度極限外，還有功耗發熱的大問題。逼近物理極限尺度的問題只能訴諸於材料科學的進展－譬如二維材料；另一方面，功耗發熱的問題其實困擾半導體已久，只是於今尤烈。

問題的根源在於半導體元件的運作是基於電子攜帶的電荷，而電子在金屬中運動時，遵守焦耳定律－熱耗散正比於電流的平方乘以電阻乘以時間。當製程微縮電壓難以持續下降，而功能日漸複雜，需要連結的電晶體數目龐大，在越來越長的連結金屬線(interconnect)上熱耗散益發嚴重。有人戲以核反應爐、火箭噴嘴每單位體積的功率相較，半導體晶片早已超越前二者的數量級。

解決電流熱耗散問題的有效方法之一是用電荷以外的性質－譬如電子自旋或光子－當成訊息產生、處理、傳遞、接收的工具。電子帶有自旋，現在已可以操控電子的流動讓其只有純粹的自旋流(spin current)而無電荷流(charge current)，自旋流的能耗已經實驗展示只有電荷流的1/1000。而用光子當成訊息訊息載具的方法，就是現在急速發展的photonics。

用photonic來傳遞訊息有訊息量大、省能、速度快的各種好處，特別是遠距傳輸，所以它首先被應用光纖上。但是在進入終端時，會碰到幾個問題，特別是在晶片的製造上。它的元件種類繁多，如光子偵測器(PD；Photo Detector)、雷射二極體(LD；Laser Diode)、調制器(Mod；Modulator)、過濾器(filter)、隔離器(isolator)等，不像半導體是以電晶體一以貫之。Photonics的製程也複雜，因為元件組成複雜，沒辦法如半導體以CMOS製程一招半式行天下。

另外在材料選擇上，除了矽之外，還有砷化鎵、磷化銦等，這些材料都能當波導和光學元件，不過最近的製程材料歸向矽。

矽對於波長在1.2~1.6µm的光是透明的，而且與氧化矽的折射率差異很大，且與CMOS製程相容，利用半導體光刻製程，可以做很緊緻的波導，也可以做各式的光元件。但是它的量子效率(quantum efficiency)很低，也就是不能利用光電效應(photo-electric effect)將光訊號轉為電訊號，對於波長在1.2~1.6µm的光無法偵測，也沒有辦法有效的發光。

矽光子的技術可行性毋庸置疑，有一陣子，矽光子晶片即將問世的傳言甚囂塵上。但是對於商業判斷，上市時間的重要性不亞於可行性。我無法預言時間，但是有幾個因素會將這個延宕多時的技術拉近時程。一個是前述的製程微縮變得遲緩，另一個是量子通訊的漸漸切入。由於量子通訊－特別是長距的傳輸－都是以纏繞的光子為媒介，發送、接收端的光元件勢在必行。最後是AI技術的盛行，對於遠距離大量數據的傳輸需求正是方興未艾，這些都是支持矽光子的有利因素，它們有多快，矽光子就有多快！