矽光子是什麼？矽光子概念股有哪些？原理、優缺點和應用

本文將深入探討矽光子的技術原理、優缺點、應用產業，以及相關概念股，幫助您全面了解這項正引領未來科技革命的關鍵技術。

矽光子(Silicon Photonics)是什麼？CPO是什麼？

隨著數位時代的發展，矽光子技術正逐步改變數據傳輸的傳統模式。這項關鍵技術結合了半導體技術與光技術，旨在以光訊號取代電訊號，從而在高速傳輸數據的同時大幅降低能耗、提高能源效率，滿足資料中心、超大型運算（HPC）、物聯網應用以及人工智慧（AI）等高性能應用對高速資料傳輸速度與高速數據處理的極致需求，進而提升整體資料運算能力。

在矽光子技術中，其核心理念在於於矽晶圓上構建微型光學元件，將光訊號的生成、處理與傳輸整合到單一半導體晶片上。晶片內部設計有精巧的「光波導」，這些導光路徑能夠高效地傳遞光訊號，實現數據的高速傳輸需求。雖然最終目標是完全以光訊號取代電訊號，但在實際應用中，仍需克服一系列技術上的挑戰，其中包括如何在封裝中實現高效整合，以及如何運用精密的光調制器來進行信號調控。

近年來，生成式 AI 與大規模資料中心的迅速崛起，使得矽光子技術的重要性日益凸顯。為了進一步提升傳輸速率並優化計算效能，業界開始從傳統插拔式模組，改為引入共同封裝光學元件（CPO, Co-Packaged Optics）技術。這一創新方案將傳統的光收發模組與交換器晶片整合於同一封裝內，大幅縮短了訊號傳輸路徑，提高了整體系統的效率和穩定性。

矽光子技術的原理

傳統電路板上的訊號傳輸主要依靠銅製導線，讓電子在電路中流動。然而，隨著資料量急速增長和運算需求不斷攀升，利用光子來傳遞訊號逐漸成為一種更有效率的解決方案。光子傳遞訊號不僅速度更快，而且能夠大幅降低因電阻產生的熱耗損，從而在高頻寬與低延遲的應用中展現出巨大優勢。這正是推動矽光子發展的動力，也使其在半導體產業中扮演著關鍵角色。

矽光子：從模組整合到晶片封裝

矽光子技術的出現正是為了解決電子在傳輸過程中產生的熱耗及訊號損失問題。該技術依賴於先進的電晶體微縮技術與光子電路設計，將原本分散在PCB板上多個光電元件（如光接收器、光偵測器、光調制器、放大器、驅動IC與交換器等）進行高度整合。其主要特點包括：

• 早期光電轉換： 在矽光子的晶片中，電子一離開晶片就會迅速進入內建的轉換模組，將電訊號轉換為光訊號。這樣就能大幅縮短電子在銅導線上傳輸的距離，降低能耗與延遲。
• 光波導技術： 晶片內部透過微縮的光波導傳遞光訊號，使得數據處理的頻寬和速度大幅提升。
• 系統封裝： 通過先進的光學封裝技術，將光學元件與電子元件共封裝在同一載板上，這種技術通常被稱為「共封裝光學模組」（Co-Packaged Optics, CPO）。

電子轉換為光子的原理

在目前許多伺服器的應用中，系統通常會在機櫃背端安裝一個光電轉換模組，也就是大家熟知的光收發器。這個裝置的運作方式是：

1. 電子進入模組： 電子從晶片經由銅線傳送至伺服器尾端的光收發器。
2. 訊號轉換： 光收發器內部將進入的電訊號轉換成光訊號，正如專家吳田玉所指出，精準的光子電路設計是保證此轉換質量的關鍵所在。
3. 光訊號傳遞： 經過轉換後的光子便沿著光纖或其他光波導材料迅速傳遞到目的地。

這種電子轉光子的方式在過去已廣泛應用，但其缺點在於電子必須在較長的銅線路上移動，產生額外的能量損耗和訊號衰減。

CPO（共封裝光學）技術的優勢

傳統的光收發模組通常以外掛的形式存在，電子訊號需要從晶片傳送到機櫃後端的模組，再進行光電轉換。這樣的架構除了增加傳輸距離外，也可能導致訊號衰減與額外熱耗。CPO技術則將電子積體電路（EIC）與光子積體電路（PIC）直接封裝在同一載板上，使得：

• 訊號延遲大幅降低： 電訊號在晶片內部就完成轉換，縮短了必須走的銅線路程。
• 能效顯著提升： 減少電訊號傳輸中的能量損耗，降低整體功耗。
• 傳輸效能提高： 根據工研院的數據，此技術有望將資料傳輸速率提高多達8倍，並節省約50%的功耗，同時顯著增強運算效能。

這樣的整合不僅提升了晶片與系統的整體效能，還能使光訊號在接近CPU/GPU的位置進行處理，進一步改善數據中心與高效運算平台的表現。

矽光子與傳統光學系統的差異

傳統光學系統往往依靠人工組裝與精密調校各個光學元件，每個元件彼此獨立，系統組裝過程繁瑣且成本較高。而矽光子技術則採用半導體製程，將光學元件微縮並整合於一塊晶片上，使得：

• 系統體積縮小： 整合度高的設計能夠將原本龐大且繁雜的光學系統濃縮成指尖大小的晶片。
• 製造成本下降： 利用成熟的矽製程技術進行大規模生產，降低元件組裝和調校的難度與成本。
• 性能更穩定： 高度整合的系統能夠減少因各元件間接口不良所帶來的訊號損失與熱耗問題。

矽光子技術的優缺點

優點

1. 高速大頻寬傳輸：光訊號的頻率遠高於電子訊號，能夠支援極高速且大容量的資料傳輸，特別適用於資料中心及高性能運算應用。利用矽光子技術可大幅降低延遲，滿足AI及大數據應用對傳輸頻寬的要求。
2. 低功耗與低散熱：與傳統以電子信號傳輸相比，光訊號在傳輸過程中產生的熱量更少，因此整體功耗及散熱問題大幅降低，這對於密集運算和資料中心應用具有顯著優勢。
3. 小型化與高集成度：矽光子技術可以利用現有的CMOS製程進行大規模量產，讓光學元件與電子元件整合在同一晶片上，不僅縮小了元件尺寸，也有助於降低製造成本與組裝難度。
4. 延長摩爾定律的生命：隨著傳統電子晶片進入物理極限，矽光子技術提供了一條利用光傳輸資料、提高系統效能的替代路徑，有助於突破傳統晶片在運算和連接速度上的瓶頸。

缺點

1. 技術成熟度與整合挑戰：雖然矽光子利用成熟的半導體製程，但其光學元件的製作和封裝仍存在高精度要求。光波導、調變器等元件在微縮過程中容易受到製程波動影響，整合電子與光學電路時也需克服熱管理及訊號損耗等問題。
2. 材料與光源限制：純矽材料在紅外光波段具有較高的吸收與損耗，且矽本身無法直接發光，必須與III-V族材料（如砷化鎵或磷化銦）整合，這增加了整體製程的複雜性與成本。
3. 封裝與成本挑戰：儘管矽光子有望透過與CMOS製程結合實現低成本量產，但目前在封裝技術（例如共同封裝光學 CPO）上仍存在技術門檻與成本控制問題，尚未達到大規模商業化的理想狀態。
4. 市場普及率與轉換期的不確定性：目前多數資料中心仍採用傳統光收發模組技術，矽光子技術儘管具備明顯優勢，但其市場滲透率尚低，從現有技術過渡到成熟的矽光子應用，仍需一段轉換期與產業生態系統的完善。

矽光子技術的應用產業

矽光子技術正逐步滲透到各個高科技領域，主要應用包括：

1. 資料中心與高性能運算（HPC/AI）

隨著雲端運算、人工智慧及大數據應用的算力需求爆炸性成長，資料中心對高速、低延遲及低能耗的互連需求急速攀升。矽光子技術能以極高頻寬處理海量數據傳輸，解決傳統電訊號瓶頸問題；更透過CPO技術，實現晶片與光電元件間的高度集成，預計未來市場規模將大幅擴增。

2. 通訊網路

在電信與長距離光纖傳輸領域，矽光子技術能提供更高的資料傳輸速率與更長的傳輸距離，從城域網到國際骨幹網絡均有廣泛應用潛力。此外，隨著5G及未來6G的普及，矽光子元件也有助於提升無線網路回傳的光纖連接效能。

3. 自動駕駛與光學雷達

在自動駕駛系統中，光學雷達（Lidar）是關鍵的感測元件。利用矽光子技術，可實現小型化、低功耗且高精度的光學雷達系統，為車輛提供更準確的環境感知能力，有望推動自動駕駛技術的進一步發展。

4. 生醫感測與量子運算

矽光子在生醫領域中的應用包括光子感應器，用以檢測微小折射率變化，可用於生物標記檢測及早期疾病診斷。此外，在量子運算領域，光子作為量子資訊的載體，其低能耗與高速傳輸特性使得矽光子技術成為構建量子網路與光子計算平台的潛力技術。

5. 其他應用領域

此外，矽光子技術也正應用於高解析度成像、環境監測及智慧家居等新興市場，其小型化與高集成度特性使其在各類光學感測器與通訊裝置中具備優勢。

矽光子概念股有哪些？CPO概念股有哪些？

為加速矽光子技術的研發與應用，國際半導體產業協會（SEMI）攜手工研院及超過30家業界夥伴，共同成立了「SEMI矽光子產業聯盟」（SEMI Silicon Photonics Industry Alliance, SiPhIA）。該聯盟旨在聯合制定產品規範，為矽光子領域奠定技術基石，並率先搶占市場先機。

隨著矽光子聯盟規模不斷擴大，近來更有群創、台灣奈微光（N&M）以及LED封裝業者立碁陸續加入，其中立碁已規劃從明年開始著手開發1.6T矽光產品。如今，矽光子產業聯盟的成員已涵蓋台積電、聯發科、日月光、廣達、鴻海、友達等30多家業界翹楚。聯盟未來將持續推動技術突破、強化整個產業鏈的協作，並制定相關行業標準，共同促進矽光子技術的全面發展。

以下為矽光子產業供應鏈中的熱門公司：

此外，美股市場中亦有不少與矽光子技術密切相關的公司，如 Cisco、Intel、Broadcom、Marvell、Nvidia 等，這些大廠正積極進軍光子與網通領域，對全球產業發展也具有重要影響。

總結

矽光子技術以其高速傳輸、低功耗與高整合度的特性，成為資料中心、通訊網路、自動駕駛及量子運算等領域的重要基石。儘管面臨製程整合與成本挑戰，隨著共封裝光學（CPO）等新技術的突破，矽光子在商業化與產業應用上的潛力將持續擴大。無論是在台灣或國際市場，相關概念股如台積電、日月光、Intel、Nvidia 等，均展現出強勁的成長動能，成為投資人關注的焦點。未來，矽光子技術勢必將在推動全球科技創新與產業升級中扮演關鍵角色。

資料來源

• 矽光子概念股有哪些？優缺點是什麼？矽光子原理圖解|數位時代 BusinessNext
• 矽光子是什麼？矽光子概念股有哪些？大廠佈局矽光子技術！ – StockFeel 股感