铜退光进趋势下的硅光子材料和市场展望

工業技術研究院IndustrialTechnologyResearchInstitute2024年5月29日©©工業技術研究院權利所有。11 33©©工業技術研究院權利所有。圖片來源：Dreamstime授權使用21133©©工業技術研究院權利所有。3全球矽光子技術領導業者Intel：「矽光」是結合20世紀兩個重要發明「矽積體電路」和「半導體雷射」l光透過「光纖」傳輸相較於電透過「銅」傳輸，具有低損耗、高頻寬、不易受電磁波干擾、傳輸距離遠等優勢l然而擔任光纖通訊「光電轉換、傳輸和接收」重要功能的光收發器，因矽基半導體不會發光，導致電子晶片EIC、光學晶片PIC多由互相獨立的供應鏈生產封裝，最後再交由模組廠進行連接組裝半導體雷射LD光感測晶片PD©©工業技術研究院權利所有。4AI引領銅退光進趨勢，讓高度整合、低傳輸損耗的矽光子找到突破口高低低高低高低©©工業技術研究院權利所有。5矽基半導體不會發光，最大挑戰之一自然是如何整合PIC 11 111222323•不用精準對位、整合程度高•技術簡單、可在現有產線生產•提升Flip-chipintegration的效率•技術門檻高、需設資新產線•需準精對位、生產效率低•尚未有成熟設備可供使用Intel、ScintilPhotonics、SkorpiosCisco(Luxtera)、AMFImec、X-Celeprint6©工業技術研究院權利所有。6採用遠端雷射模組相對容易，不過整合所帶來的功耗和體積下降有限MI是將所有結構在同片矽晶圓上製作(終極目標)，但商用化難度很高 1.將雷射獨立封裝模組化2.其它元件則儘量整合在矽半導體平台中製作3.整合好的晶片再與雷射模組進行連接1.利用應力緩衝層，在矽晶圓上堆疊III-V化半材料2.在同片矽晶圓上持續完成所有EIC、PIC結構•較易生產、可避免EIC溫度影響波長、雷射易更換•高度整合、傳輸損耗最低•體積難微縮、功耗難下降•技術難度最高且雷射效率差，仍處於研發階段Cisco、Broadcom、AyarLabsTower、Quintessent、Juniper、Imec、IQE©©工業技術研究院權利所有。7矽光子除了想解決「可插拔式光收發器」內部傳輸損耗之外隨資料中心頻寬的提升，光收發器與交換器之間的損耗也日益嚴重(dB)0交換器交換器ASIC→PCBPCB傳輸損耗接口損耗光收發模組損耗©©工業技術研究院權利所有。8矽光子從光收發器開始，並朝向交換器晶片整合發展 9©工業技術研究院權利所有。9NPO為目前較多業者青睞的路線除了比OBO傳輸距離更短之外，基板面積也比較小(性能升級成本較低)©工業技術研究院權利所有。lBroadcom宣稱其CPO交換器可降低至少30%功耗，據市調資料指出：ASIC採用台積電N5製程，搭配8個©工業技術研究院權利所有。OpticalchannelOpticalchannel !CPU InterposerCPU Interposer Substratel新創企業AyarLabs的矽光子OpticalI/O產品已進入小批量驗證階段，商用化進度領先，包括台積電、©工業技術研究院權利所有。並逐漸拓展至高速運算HPC與感測Sensing領域Consumerbio-sensorConsumerbio-sensorOpticalcomputingTelecomtransceiverCPO(a)OpticalI/OMedical©©工業技術研究院權利所有。n2022~2027年矽光子裸晶片(Die)應用市場規模(億TWD)*原數據有誤，已於2024年16月11日更新90.660.629.720.2©工業技術研究院權利所有。1133©©工業技術研究院權利所有。15做為發光源的雷射是矽光子最為關鍵的元件之一dB/km7654321~850nm~1,310~850nm~1,310nm~1,550nml雷射發光波長取決於材料能隙大小，光通訊應用中的850nm多使用GaAs材料，而1,310、1,550nm©©工業技術研究院權利所有。16光收發器雷射晶片多為GaAs的VCSEL、InP的DML/EMLVCSEL面射型雷射 邊射型雷射晶圓基板GaAs傳輸距離>10km光通訊常用波段850nm1,310nm1,310或1550nm低中大波長熱穩度性佳差差雷射成本低中高矽光子雷射設計外部雷射為主可整合至矽晶片內可整合至矽晶片內©工業技術研究院權利所有。隨資料中心傳輸速度的增加銅纜DAC恐限縮在Rack內部，光傳輸的角色將會更加吃重無無無無無無無無LANLAN-WDM/DWDM©工業技術研究院權利所有。n0.1~20μm3~50μml矽光子SOIwafer要求翹曲度低、表面平整、每層厚度均一，Soitec憑藉SmartCut專利技術能加快生產©工業技術研究院權利所有。Transmission提升速度、降低能耗、縮小體積、減少整合難度為材料開發重點Transmission +++0•將入射光分成兩個等亮度的光•控制相位差(時間差)後將兩波合併，波形疊加為1、波形相消為0•Microring外加電壓時，能使波長移動，藉此代表0→1•材料在施加電壓下能隙變小，進而改變光的強度•可操作的波長較廣、熱穩定性高•驅動電壓低、體積小•SiGeEAM易在矽晶圓上製作•技術難度高，波長控制需<1nm•工作波長多在1,565-1,625nm附近CiscoMellanox、Imec©工業技術研究院權利所有。SOIwafer•低翹曲度、表面平整、厚度均一Soitec,環球晶•往大尺寸(4吋、6吋)發展AXT,JXMetals,SEI•往單通道200G、1.6T發展LNOfilm,BTOfilm,Si-MRM•高速、低能耗、小體積、易整合HyperLight,Lumiphase,IntelSiO2,SiN,Glass,Polymer•低表面粗糙、低紅外光吸收Si,Glass,Polymer•高平整度、高尺寸安定性、熱穩定性PPE,Hydrocarbon•符合M7、M8等級的HDI多層板要求Sabic,NipponSoda•高靈敏度、高波長接收範圍Adhesive•高紅外光穿透、高機械性質、易加工Resonac,3M©©工業技術研究院權利所有。211133©©工業技術研究院權利所有。22Braodcom8.3%LumentumMarvell(Inphi)15.6%lIntel是全球矽光子市佔領先業者，2023年10月Intel將©工業技術研究院權利所有。矽光子在光收發器的出貨量滲透率僅約5%(2023年Datacom市場)上下游關係目前仍多處於研發合作、小批量代工、測試驗證階段Google、Meta、MicrosoftMicrosoft、Amazon、熹聯光芯(Sicoya)Broadcom、Cisco、GlobalFoundries、台積電Broadcom、Cisco、Fabrinet、光訊、眾達Google、Microsoft、Amazon、Marvell(Inphi)、Juniper、華為(Caliopa)、中際旭創Marvell、Juniper、華為、中際旭創、新易盛Microsoft、華為©©工業技術研究院權利所有。24AI應用加快資料中心傳輸規格的更迭速度200G單通道雷射、1.6T光收發模組、矽光子是近期大廠佈局重點•推出最新AI交換器平台：乙太網的Spectrum-X800、InfiniBand的Qua•Quantum-X800採用200GSerDes單通道，可配置144個800G或72個1.•推出全球首款單通道200G的EML、VCSEL和矽光子雷射•51.2TCPO交換器Baily(搭載8個矽光子引擎)近期已•推出單通道200G矽光子引擎，每Bit傳輸損耗可降低30%•推出1.6T光收發器的DSP晶片(單通道200G)，支援51.2T交換器•優化800GZR(長距離傳輸)的光收發器產品，使用InP雷射與矽光子技術•展出800G/1.6T矽光子光收發器產品，並採用LP•LPO雖藉由移除DSP晶片來降低成本和功耗，但傳輸距離會縮短且訊號品質下降©©工業技術研究院權利所有。25臺灣矽光子及CPO供應鏈調查：光通訊業者多已關注發展，矽基半導體業者則因應AI趨勢積極切入字體顏色：光學業者矽基半導體業者新創業者聯發科、聯發科、光環、前鼎、眾達、華星光、訊芯、光聖、創威、鴻騰精密、©©工業技術研究院權利所有。26臺灣是AI硬體最重要的供應鏈夥伴，半導體業者積極展開合作與研發•與鴻騰精密合作開發51.2TCPO交換器的矽光解•聯發科負責ASIC晶片設計，鴻騰精密負責封裝與組裝•環球晶12吋美國SOI晶圓擴建中，預計下半年開始送樣•中美晶入主光通訊業者「上詮」的董事會，據傳上詮有與台積電合作CPO的開發•800G矽光InP雷射磊晶已進入量產•今年矽光子路線更新重點：2025完成堆疊式光電晶片驗證，可應用於1.6T可插拔式•矽格為台星科最大股東，兩家合作搶進CPO市場，台星科負責封裝、矽格負責測試•據傳已有客戶訂單，台星科將於今年擴大CPO產能©©工業技術研究院權利所有。