【前瞻科技】矽光子晶片及MEMS晶片
■矽光子(SiPh , Silicon photonics) 材料
為了產生光，材料需要具有直接帶隙(direct band gap),才能製造出光源（激光
器，光子電路和系統的“電源”）▫
矽沒有直接帶隙，無法做成雷射光源，得另找材料做光源，因此，其他具有直接
帶隙的材料（III-V 材料），例如磷化銦 (InP)
■矽光子晶片(PIC ,Photonic Integration Circuit)
光子積體電路主要是將光學元件透過半導體技術積體化，讓其可以享受半導體製
程微縮並快速提升效率與降低成本的好處，光學元件依照用途由許多零組件構
成，矽光子技術分為兩個層面，一為光電元件，包含被動積體光學元件、主動光
電元件(圖1)、光電晶片構裝與測試技術；另一為與其他感測器或電路整合成光電
系統晶片。光學主動元件如雷射光源、光接收器(Photodetector)、調變器
(Modulator)；被動元件有多工/解多工器(Mux/DeMux)、光濾波器(Optical
Filter)、分路/合路器(Splitter/Combiner)、光耦合器(Optical Coupling)、干
涉器/光開關(Interferometer/Switch)、極化控制器(Polarization Diversity)
等。
目前的矽光子元件多以異構整合的方式來整合光子晶片、光源和電子晶片。
●共同封裝(COP:CO-Packaging)光元件
針對高性能Ethernet的最新進展，包括英特爾(Intel)以及業界多家公司都展示了
最新的800G技術。此外，加拿大高速光元件供應商Ranovus在會中宣佈與IBM、
TE Connectivity和Senko Advanced Components等公司策略合作，在其最新
Odin矽光子引擎基礎上，針對資料中心Co-Packaged光學應用，共同打造設計
與製造多供應商方案的生態系統。
●Ayar Labs新創公司的發明
Ayar Labs成立於2015年，總部位於美國加州。它是MIT的孵化企業，創始團隊
大都來自MIT、UC Berkeley等美國頂尖高校。Ayar Labs先後獲得了英特爾資
本、格羅方德（GlobalFoundries）以及洛克希德馬丁等公司的數千萬美元戰略
投資。其主要發明有:
1.TeraPHY的光學收發器
Ayar Labs採用格羅方德的45納米RF SOI CMOS製造技術 ,將TeraPHY做成
芯粒（chiplet）的形式,集成在英特爾Stratix10 FPGA上，可達到2Tbps的數
據帶寬，傳輸距離最高達2公里，而傳輸功耗則不超過每比特1pJ（10的-12次
方）。
光學收發器TeraPHY最重要的技術創新，在於它解決了光信號的「調製」和「解
調」兩個主要問題。其FPGA使用的PAM4收發器速率最高為58Gbps，NRZ收發
器最高速率為30Gbps，而目前電子收發器也只不過112Gbps。也就是說，這種
光學收發器至少可以取得近20倍的性能提升。
2.Ayar Labs的環形諧振器（microring resonator）
相比馬赫-曾德爾干涉儀，這種環形諧振器的尺寸要小100倍，能效高50倍，數據
傳輸密度也要高25-50倍。通過使用這種裝置，可以實現25Gbps到100Gbps的
傳輸帶寬。
3. Ayar Labs的SuperNova雷射源
它能夠提供最多256種波長的光波，等效8.192Tbps的數據帶寬。
【視頻】Silicon Photonics: The Next Silicon Revolution?
■成功的矽光子晶片案例
●台灣中山大學開發矽光子光纖陀螺儀驅動晶片
研究團隊所開發矽光子光纖陀螺儀模組，已突破出戰術級規格的陀螺特性（Bias
instability = 0.158 deg/hr），將過去繁複的零件組合工程，以半導體製程方式
整合於毫米（mm）級尺寸上的晶圓上，不僅可量產來分擔成本，預估可將成本
降低於現今光纖陀螺儀成本的三分之一以下。由於複雜的光訊息處理可濃縮於毫
米級以下，可保有原多種優勢，又可鍵入多種感測與控制功能，未來可應用民生
用品，如無人載具、自駕車和空拍機等平台穩定；對於生醫檢測、自動駕駛車
輛、智慧機器人、航空定位系統、立方衛星等微型化導控也有極大的應用市場。
【視頻】複合式矽光子陀螺儀晶片與微型化模組
●矽光子技術應用於5G光載毫米波天線--李明昌教授
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■微機電晶片(MEMS Chip, Microelectromechanical Systems Chip)
MEMS本質上是一種把微型機械零組件（如感測器、致動器等）與電子電路集成
在同一顆晶片上的半導體技術。一般晶片只是利用了矽半導體的電氣特性，而
MEMS 則利用了晶片的電氣和機械兩種特性。
MEMS與CMOS製程技術的整合，已成功帶動組件產品在消費電子應用綻放光
芒，包括Intel、Samsung、TI、TSMC等半導體領導大廠皆看好CMOS MEMS
發展，而相繼投入相關技術的研究開發。
業界已開始加速布局CMOS MEMS+3D MEMS Packaging解決方案。由於以
TSV方式將Chip堆疊成3D IC的發展備受看好，也可望帶動3D TSV Wafer出貨數
的快速成長，以組件類別來區分，目前以CIS(CMOS Image Sensor)採用TSV與
IC 3D化的速度最快，第二階段預計將由內存(含Flash、SRAM、DRAM)扮演承
接角色。3D MEMS可望在2011年興起，並在往後3年穩定邁向商品化。
MEMS產品大多以150mm～200mm的8寸晶圓生產，在未來6年有望逐步轉進
300mm的12寸廠生產，以便做最佳化的產能利用。
【視頻】What is MEMS?
【視頻】MEMS: The Second Silicon Revolution?
■成功的MEMS晶片案例
●智慧型手機的 MEMS感測元件
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