硅光子技术整合了 20 世纪半导体科技两个最重要的发明：CMOS 积体电路和半导体雷射，能以前瞻又成熟的硅量产技术制造之，提供多元化的功能应用，例如：5G 无线通讯、汽车、医疗，甚至是物联网多元功能性的传感器，如：光达（LiDAR）、陀螺仪等 。
硅积体光子技术倍受瞩目的另一项原因是，能以光连接来弥补晶片内高度微型化金属电连结所衍生的严重延迟与耗能窘境，这是因为长久以来，微缩晶片内电晶体或金属电连结的特征（长 / 宽度）、提高集成密度等 Dennard Scaling 措施，已经面临严峻且难以突破的物理瓶颈。即使可使用多核心处理器的平行运算来提升计算机系统的效能，但终将难以突破能源效率墙（Energy Efficiency Wall）。
硅光子积体电路的光电混和，有效强化晶片效能
理想的硅光子积体光路，是在硅平台上同质或异质整合光源、功能性传感元件、光 / 电讯号转换元件、光波导等，实现光互连晶片、处理器或传感等多元模组。尤其是，将硅光子晶片与硅 CMOS 积体电路高度整合成光电混合积体晶片，可望大幅达成提升资料处理速率、降低功耗、微缩晶片面积、节省数据位元成本，以及改善可靠性 。
由于硅光子积体电路技术在资料中心、5G 通讯等范畴展现了具体强大的商机，引起了许多欧美公司与研究机构的兴趣，如：IBM、Intel、Cisco、STM及 CEA / Leti、IMEC、AIM Photonics、IME 等，早已纷纷进行硅光子晶片的研发与技术布局，以持续提升晶片内（Intra-Chip）资料处理的速度与频宽。
其中，Intel 是最早实现硅光子商业化应用的厂商，其早在 2012 年就已设立专属事业部投入布局，并在 2016 年开始大规模出货。而 2022 年 6 月，Intel 也成功展示了在硅晶片上整合控制八波长雷射阵列的先进研究成果。IBM 则是于 2012 年底时就已经开发出 90 nm 的纳米硅光子积体电路晶片，把光路与电路整合在单一晶片上。
硅光子的高速发展即将迎来硅光时代
2017 年时，知名硅光子公司 Luxtera 宣布与晶圆代工领导厂商 TSMC 共同发展下世代的硅光子技术。此外，根据外媒报道，荷兰政府也将投资 11 亿欧元促进新一代硅光子技术企业发展，为打造下一个 ASML 作准备。Yole Developpement 估计，硅光子光模组市场将从 2018 年约 4.55 亿美元成长到 2024 年约 40 亿美元，年复合成长率高达 44.5%。
Google、Apple、Meta、Amazon 和 Microsoft 等公司也积极开发高效率的硅光连接技术，建置短距离资料中心内部（850nm 雷射与多模光纤），以及长距离资料中心之间（1310nm 雷射与单模光纤）的光互链。
依据 Open AI 统计，自 2012 年起，每 3～4 个月 AI 应用的运算力需求就会翻倍。然而，当前的半导体晶片发展已逼近摩尔定律极限，无法满足未来高效能运算之要求。而传统的光模组也因成本过高、且体积过大，难以作规模化应用。硅光子晶片能够在较低成本的前提下，有效提高资料中心内的电脑集群、伺服器乃至晶片间的通讯速度与效率，提供符合期待的强大运算力。2022 年 11 月时，日月光执行长吴田玉在 SEMICON TAIWAN 预告未来 4 大科技趋势，其中一项就点名“硅光子”。
而根据产业分析预测，资料中心将会是硅光子第一波应用发展的主要竞争市场，预计未来 3 年内，硅光子晶片将广泛应用在大型资料中心的高速资讯传输。为了取得硅光子市场之技术领先优势，各家大厂近年来皆加大相关研发投资力道与产能布建，期能在未来的“硅光时代”位居要角。
在“量子计算离子阱量子位元”中硅光子技术成为关键角色
硅光子技术不仅能改善传统经典计算之运算速率、增进数据中心传输的效能，更可望促进量子计算硬体技术的实际发展。就得以在常温运作的离子阱（Ion Trap）量子位元而言，一般多是使用光学桌上的光或微波讯号，远端操控位于真空腔体内的离子阱量子位元 。在读取离子阱量子位元的量子态讯息时，则是透过光学桌上高孔径值透镜聚焦到单光子侦测器。在常温、真空的环境，验证已达成了离子阱量子位元的功能性，为实用型的量子计算提供了乐观的希望。但是，在扩充量子位元数目、提升实际初始化 / 操控 / 检测量子态的保真度等方面，离子阱量子技术仍面临许多实质技术的困难与挑战。
“操控”及“读取”离子阱量子位元所需的光学元件 / 光电子元件，所面临的技术瓶颈：
需要使用射频与直流高电压来调控离子运动的诱捕电位，因此注入的电力势必会耗散在诱捕电极，加热离子阱位元，破坏量子状态的保真度。
目前离子阱量子位元的运作情境是，操控及读取的光学元件与电子电路被安置在常温的光学桌上，而离子阱量子位元晶片则处于低温真空腔体内，两者以复杂的光纤与电缆连结之。碍于机械振动 / 热噪声及周遭环境的扰动，光学元件彼此间对准的精确度往往会遭受低频抖动与温度漂移等干扰，劣化了量子位元晶片长期操作的稳定性与保真度。
需要使用大型的高数值孔径透镜，来聚焦雷射光源于某一定点的单一离子，或收集来自于某特定离子自发散射的少数颗光子于单光子侦测器。但是，位于光学桌上的透镜、雷射光及光侦测器等遭受对准与耦合噪声 / 时间漂移等所扰，操控 / 读取的保真度仍待改善。
综上所述，目前可使用的光学元件如光源、光纤与单光子侦测器等，大多是放置在自由空间的光学桌上。但复杂的光学组件与光纤之间的对准及机械振动 / 热噪声等环境扰动，产生许多额外的杂讯源，大大限制了离子阱量子位元的数目扩充性及保真度。因此，迫切地需要研发能与离子阱量子位元晶片整合的硅光子晶片（如：光波导、光调制器、光侦测器）以及周边 CMOS 电路 。
要“扩充”量子位元数目及“提高”离子阱量子位元的读取保真，得仰赖一联串理想环境
理想的情境是，在真空环境中，雷射光源就近以光波导直接连结离子阱量子位元，直接操控、冷却离子阱。同时也以光波导连结单光子侦测器，就近读取离子阱量子位元的量子态讯息后，直接输出到 CMOS 积体电路，进行后续的讯号处理。如此一来，不仅可以消除自由空间中光学元件的抖动 / 漂移、无所不在的电噪声，更可以免除过长的光纤及复杂的光学组件之间对准的问题，对于“扩充”量子位元数目以及“提高”离子阱量子位元的读取保真度有莫大的助益。下篇我们将继续探讨硅光子技术在“量子计算离子阱量子位元”的技术挑战。
