什麼是矽光子？(2)——從電子街道到光子高架橋
當矽光子被視為解決資料傳輸瓶頸的「光速捷運」，其實背後仍有不少工程挑戰待克服。本文延續前篇「資訊城市」的比喻，進一步解析矽光子在雷射整合與封裝上的瓶頸，包括材料不相容造成的熱應力與光耦合困難。台積電的 CoWoS 技術雖提供了階段性解方，卻非終點，未來更需朝「共同封裝光學元件」(CPO) 邁進，這是一場從「臨時轉運站」走向「高效交通整合」的革新之路。
撰文｜黃鼎鈞
在上一篇文章中，我們將電腦比喻為一座資訊城市，指出傳統電子元件就像汽車在城市中塞車，而矽光子就像高速的光速捷運，能以光傳遞訊號、解決資料傳輸瓶頸。這條光速公路不只已開通，更吸引全球科技巨頭紛紛投入建設，但它真的已準備好全面取代傳統電子嗎？這一篇文章，我們將一探矽光子真正面臨的「路障」，也就是那些在發展矽光子科技時所遇到的技術瓶頸。
矽不能自行發光
前篇提到，矽屬於「間接能隙半導體」，當電子從導帶躍遷到價帶時，需藉由晶格振動釋放聲子，不像「直接能隙半導體」，可以直接透過發射光子釋放能量，因此矽本身並不容易發光。換句話說，雖然我們能夠在矽晶片上製作光波導、調變器與偵測器，但光源本身（雷射）仍必須由其他材料製成，並額外整合進晶片。目前常見的作法，是利用 III-V 族半導體製成雷射（例如磷化銦 InP），這類材料大多具備直接能隙，因此當電子能階躍遷時，能直接以光的形式釋放能量，適合用於雷射發光。為了將這些發光材料與矽基平台結合，工程師透過「異質整合」的技術，將不同材料（如 III-V 材料與矽）接合在一起，讓它們能在同一晶片上協同工作。
元件封裝困難
不過，說來容易，這卻是矽光子元件製程的困難所在，因為整合的過程牽涉到晶格常數、熱膨脹等物理性質的不匹配，就像是把不同材質的鐵軌接起來，一條會熱脹冷縮很多，一條則幾乎不變，當火車高速通過時，接縫處容易鬆動甚至變形，最終影響整體運作的穩定性。實際上，這些物理不匹配可能導致材料間產生應力集中、晶體結構裂痕，甚至在長時間使用後造成元件退化或效率下降，特別是在雷射與矽波導耦合的區域，容易出現光損失與信號不穩等現象。這些現象說明了: 異質材料整合並非只是將不同材料堆疊，更是材料科學與精密製程的重大考驗。因此，在矽光子元件的封裝上，也有著比傳統電子元件更高的門檻，電子訊號是透過金屬線來傳遞，然而，光的傳輸則嚴格要求光波導的角度與位置，一旦這些布局有些微的錯位，訊號就會大幅的損耗。
資訊城市的臨時轉運站－中介層
目前業界如何克服矽光子元件的封裝困難呢？台積電目前推出一種新進的異質整合封裝技術，稱為 CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）。在這項技術中，工程師將多個晶片，例如邏輯晶片、記憶體晶片與光電晶片，先組裝到一塊具備精密連線的中介層（Interposer）上，再一同封裝到基板（Substrate）中。這種封裝方式就像在一座城市的現有交通網絡（如道路）上，興建一座多功能的轉運站，讓汽車、公車、捷運都能在同一平台整合運行。在這裡，光子就像捷運列車，需經過精確對位的轉乘站才能順利銜接不同路線。這樣的做法不但能緩解因材料熱膨脹係數不同而產生的應力，也降低了製程錯誤與耦合損耗的風險，進一步提高了封裝的穩定性與良率，讓矽光子得以真正嵌入晶片的資料交通主幹道。
然而，CoWoS 並非終極方案，更像是過渡階段的工程折衷，它固然大幅改善異質整合的封裝困難，但仍需額外的中介層與封裝空間，未來如果希望進一步縮小元件體積、提升能效，業界仍需探索「共同封裝光學元件」（Co-packaged Optics, CPO）等更為先進的整合架構，也就是將光電元件與邏輯晶片全部封裝於同一單元，取消中介層、拉近光源與訊號處理的距離，藉此降低功耗與延遲。就像城市的規劃一樣，或許我們能透過行人天橋、高架橋、地下道改善運輸，但最終還是希望能將交通全面整合，實現既高效又簡潔的未來城市樣貌。
參考文獻
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