硅光晶体管辅助光计算与量子计算

李佩雯 教授团队

阳明交通大学 电子研究所

一、硅光子技术提升经典高速计算与网络的效能与带宽

近年来硅光子技术迅速成为提升数据运算系统效能的最佳助攻手。硅光子助力高效能运算的范畴广泛，涵盖基础的实体硬件层级(physical hardware level)，扩及全新的运算架构层级（architecture level）。

就现有的经典运算(classical computing)实体硬件系统而言，硅光子技术最直接的着力点是借助光讯号传递既”快速”又”零耗能”等本质优点，改善传统金属电线传递延迟与严重耗能的窘境。[1]因此，各大芯片系统设计、制造与封装厂商等纷纷开发”光连接(optical interconnect)”技术辅助或是替代传统的”电连接”。[2]例如，先使用插拔式(pluggable)光收发模块，缩减电路板-电路板之间电缆线的连结长度，改善金属在长距离、高带宽传输时讯号衰减与发热问题。现在更积极地以共封装光学模块(Co-packaged optics, CPO)技术，将印刷电路板上的光电模块(如光接收器、光波导、光调变器、电流电压放大器、驱动IC、交换器等元组件)，共同封装整合到单一硅芯片上，以光链接取代传统芯片-芯片之间的焊线接合(wire bonding)。[2]未来更希望在基板上平面整合光子集成电路与电子集成电路，或是在电子集成电路的中介层(interposer)上堆栈整合光子集成电路。为了能实现高效能、低能耗的光连接，除了共封装之外，硅光子基本实体硬件层级内的各种光学组件如: 半导体激光、锗光侦测器、硅锗或是氮化硅微型环光调变器、尤其是硅或是氮化硅光波导等都需做全盘的组件结构设计以及工艺整合开发。

图1｜全光直通：跳过传统「光转电、芯片处理、电转光」的繁琐步骤，让光讯号直接对接光路。

另外，在经典运算的架构层级方面，目前数据中心的网络是由多层电分组交换器(electrical packet switches)和光收发器构成的。但是传统电分组交换器消耗大量电力，即使不断扩充多层电分组交换器，也无法在合理的功耗下处理巨幅增长的数据流量。反之，光路交换器 (optical circuit switches, OCS)无需在网络核心部署价格昂贵又高功耗的收发器(transceivers)和电交换器，因此预期可以提高容错能力、提升带宽、降低网络等待时间、节能且可扩展数据中心网络规模。[3, 4]2022年，Google推动光路交换的开放标准化，期盼光路交换能成为 AI 数据中心与云端网络基础设施的新核心技术。光路交换的核心精神是「纯光域(all-optical)、零光-电-光转换(zero O-E-O conversion)」，以光取代传统电交换的瓶颈，实现低延迟、高效率、可程序化的数据中心网络架构。[5]

光路交换是以完全透明的模式建立直接光连接(与协议和数据速率无关)，因此光路交换运作时不会产生抖动(jitter)，也就免除网络中与封包缓冲区相关的拥塞问题。此外，光路交换还能透过动态灵活的网络重构性(reconfiguration)，实现支持增强型网络分割和故障转移（failover）典范的新型网络架构。目前有多种实体底层技术可用于建构实现光路交换系统，例如:微机电系统（MEMS）[6]、液晶(liquid crystal)、压电(piezoelectric)系统、硅光子、超颖表面(metasurface)以及各种混合组态等，各有其技术之优/劣势。其中是否含有整合光功率监测（optical power monitoring, OPM）、半导体光放大器（semiconductor optical amplifiers, SOA）和可变光衰减器（variable optical attenuators, VOA）等附加功能也是未来光路交换系统技术发展的关注重点。[3] 

Google 已成功地展示微机电制作的可倾斜微镜面(tiltable mirrors)数组，在自由空间中将光束从一个光纤端口引导至另一个光纤端口，可支持高端口数(约 1000 个端口)且具备相对低的光学损耗。然而，微机电镜面设计对环境震动较为敏感，且需要精确的对准才能确保长期稳定的效能。最大的技术瓶颈是实体机械的切换，造成切换时间过长(约毫秒,ms)，导致带宽利用率偏低。液晶光路交换系统是直接施加电压，操控光极化偏振(polarization)方向，引导、衰减或阻断光路。虽然具有低驱动电压以及可固态运作的优势，但是需要极化偏振分集组件来操控液晶材料的极化偏振，才能处理实际环境中的光讯号。压电光路交换器是藉由外加偏压来调控压电材料的变形，产生精确的物理运动，亦可实现光纤、反射镜或耦合器的精准对准。因此，压电致动器(actuators)常用于高精度的光束偏转或光纤对准的自动光交叉连接设计中。若进一步整合包含回馈式位置控制器，压电光路交换系统可有极佳的精确度与重复性。可惜，压电光路交换系统的机械结构复杂，往往需要大量的致动器和精密组装的组件。 

事实上，最近一些新兴的数据搜寻的数据报未必很大，但是对于切换速度确实有极高的要求如:纳秒(ns)。例如，在索引键值数据库(key-value store)的应用中，超过 97% 数据报约为 576 字节或更小。以目前的传输速度 50 Gbps估计，须于93纳秒(ns)以内即完成一个 576 字节的封包传输。这意味着，若要实现低于 10% 的重新配置，光路交换器就须具备纳秒级的切换时间。

值得一提的是，硅光子光路交换器可以在芯片上制作次微米级(submicron)厚度的光波导来传导光线，直接与马赫-曾德尔干涉仪(Mach‑Zehnder interferometers)、环形共振器(ring resonators)以及相位移相器(phase shifters)等整合。运用热光(thermo-optic)或电光(electro-optic)效应来控制光路的行径，即可以在CMOS兼容的硅光子平台上，运用成熟稳健的Si工艺制作机体化的光路交换器。[7]与上述提及微机电透镜、压电或是液晶光路交换器相比较(重新配置时间约msec)，硅光子光路交换器具备极短的重新配置时间以及低成本量产的优异潜力。可在纳秒(ns)时间尺度切换波长，快速地支持数据中心的动态工作负载，对于光路交换器是至关重要的。因此，硅光子光路交换器技术虽然尚处在原型开发(proto-type)的阶段，即已倍备受瞩目，被寄予厚望可实现光路交换系统的商品化。但是在处理高端口数时，硅光子光路交换器仍然面临着插入损耗(insertion loss)与串扰(cross-talk)高的技术挑战，幸好可以整合半导体光放大器来补偿这些损耗。因此，可以在硅平台上制作整合的氮化硅光波导、环形共振器、相位移相器以及高效率的半导体光放大器等，都是目前开发硅光子光路的关键重点项目。

二、硅光促进新兴光学计算

硅光子光连接除了有效地提升传统经典运算效能之外，近年来，光学计算(optical computing)也受到越来越多的关注。尤其是，2007年Hardy 与 Shamir率先提出的光学导向逻辑(Directed logic)，就是使用光学开关网络(optical switch network)来执行布尔逻辑的新型运算架构，被视为光学计算的创新典范[8]。光学运算的基本原理是，以电讯号或光讯号作为操作数，并控制光学开关(如微环共振器或马赫-曾德尔干涉仪)的工作状态，藉此引导输入光在特定路径与输出端口（Port）传播，来实现逻辑功能。理论上，光学运算能够在不同的输出埠同时获得某个逻辑运算及其反向运算(例如:一个埠输出OR，另一个埠输出NOR），具备极高的功率使用效率。许多种光学导向逻辑的光学逻辑闸与模块，例如与门/与非门(AND/NAND)、或门/或非门(OR/NOR)、互斥或门/反互斥或门(XOR/XNOR)、编码器以及半加器等，皆已证明具有在未来高速光学计算系统的功能性潜力。  

三、硅光子促进新兴量子计算

硅光子技术不仅可以改善传统经典计算之运算速率以及增进数据中心传输效能，更是推动新兴量子信息与量子通讯走向商业化与规模化的核心引擎。藉由成熟的互补式金氧半导体(CMOS)工艺，硅光子能够将极其复杂的「光学组件」微缩至单一芯片上，从根本解决量子系统在可扩展性(Scalability)、稳定性与传输损耗上的瓶颈，可为在量子运算与量子通讯两大领域带来关键的变革。例如:氮化硅(SiN）波导与单光子侦测器整合，在同一芯片上完成产生、操控与侦测光子的完整死循环，提供量子位技术中不可或缺的关键操控与读取解方。主要是光子读取具备快速又零接触的本质优势，恰恰可以攻克传统电性读取技术精细度不足、又具破坏性的硬伤。对于必须快速、轻柔、准确读取又必须同时保存脆弱量子讯息状态的保真性而言，微波甚至光学读取技术有其利基性。

以离子阱量子位为例，目前是透过光学桌上高孔径值透镜聚焦到单光子侦测器(如:光电倍增管(PMT)或是雪崩二极管(APD))，读取离子阱量子位(ion qubit)的量子态讯息。但是复杂的光学组件与光纤之间的对准以及机械振动/热/电噪声等环境扰动，会产生许多额外的噪声源，不仅限制离子阱量子位的读取保真度，也极度不利于量子位的扩充。许多顶尖研究机构与公司，积极地研发波导耦合单光子量子侦测器(waveguide coupled single-photon quantum detector)。将其与离子阱芯片整合，可直接就近离子阱量子位的量子态讯息后，再输出给CMOS集成电路，进行后续的讯号处理。惟读取离子阱量子位的单光子侦测器与传统光通讯或是光达使用的单光子侦测器性能需求回异。一般而言，离子阱量子位发射的光子波长大多是近紫外线(300–500 nm)或是可见光。单个被雷射激发的离子阱量子位(处于亮态时)，共振荧光散射的光子数目大约在 10⁷-10⁸ photons / sec，对应的总辐射强度(瓦数)大约在10^-19 W极微弱量级。亦即，单光子侦测器必须能侦测次阿托瓦(sub-aW)的光强度。优质的光电倍增管的侦测极限等效噪声功率(NEP)约为10^-16－10^-19W√Hz级别，应可以侦测离子阱量子位的状态。但是，光电倍增管无法微型化，也难与离子阱量子位芯片直接整合，需透过物镜接收离子阱量子位的发射光讯号。又因为受限于透镜开口角与光学效率，光电倍增管实际每秒可测得光子数约10⁴－10⁵ photons / sec，光子计数(photon counting)以及噪声都须提升改善。硅雪崩光电二极管虽然具有整合的可行性，但是高性能硅雪崩光电二极管等效噪声功率约为10^-12－10^-14 W√Hz级别，分辨率尚不足以读取离子阱量子位的输出讯号。美国NIST使用自制的”超导”单光子侦测器，可以正确率超过99.9%读取铍(beryllium)离子的量子状态。[9]但是”超导”单光子侦测器必须在接近绝对零度的环境才可正常运作。如能以硅光子技术开发氮化硅波导耦合光侦测器，可以侦测极微弱量级的近紫外光，且可以在低温约10K稳定运作，预期可以大幅提升离子阱量子位的读取保真性以及扩充性。

四、硅光子促进新兴量子信息或量子通讯

目前新兴量子通讯的密码显学 - 量子密钥分发（quantum key distribution, QKD)，需要将所有的硬设备芯片化，部署于现有的光纤网络中。此时，硅光子技术就展现利基性以及极高的经济与技术价值。透过硅光子整合，可以将光源、调变器与衰减器缩小至手机芯片大小，让量子加密模块能直接嵌入服务器或智慧终端。硅光子技术也可以支持传统电信的1550nm(C-band)波段，这意味着由芯片产生的量子讯号可以直接进入现有的商用光纤骨干网络，大幅降低建置成本。尽管前景看好，硅光子在量子领域要发挥效力，仍需克服以光学损耗(量子态非常脆弱)，芯片波导的粗糙度或耦合接口的损耗都可能导致光子遗失(Decoherence)以及低温环境兼容性的挑战(高效单光子侦测器通常需要在接近绝对零度(如 T = 4K 以下)运作，如何在极低温下维持硅芯片主动组件的操纵效能是一大考验)。

五、量子点协助硅光子集成电路之核心关键组件

硅光子集成电路光路(Photonic integrated circuits, PICs)因具备零接触、低能耗以及光讯号处理低延迟等先天本质优势，已经推动原本指令周期停滞不前的经典运算(classical computing)处理器，火速地奔向高运算效能与能源使用效率目标，更开启了多元功能性光子光路或是系统的创新革命。然而，综观硅光子集成电路光路三十年的演进史中，虽然各种光学组件的性能以及功能扩充性已大幅提升。但是始终缺乏可以与电子集成电路(Electronic integrated circuits, EICs)关键核心积木”晶体管(transistor)”相匹敌的光敏晶体管或是等效光学组件。 [10]

一般而言，晶体管通常是三端(three-terminal)或是四端(four-terminal)电极的组件。在各个端点施予偏压，透过不同端点的偏压组合，晶体管会有多种操作模态，且可以弹性地切换(switchable operation modes)。因此，晶体管在电子集成电路中提供多元且灵活的功能性(functionality)，例如(1)开关(switches):开启或是关闭晶体管的导通电流、(2)放大器(amplifiers):放大输出电流、电压、或是功率，(3)可变阻抗、(4)可变电容…等。晶体管既可以作为数字运算（开关、逻辑闸、内存）又可以处理模拟讯号（放大器）等。只要使用单一个晶体管结构，施加不同的偏压组合，即可以实现多元功能性的电子组件，是制作高扩充性、高堆积密度、高工艺合格率、低成本电子集成电路的重要基石。这也是电子体发明100周年(FET 100)，仍然持续发光发热，影响无远弗届的主因。

反观光子光路的关键组件包含:激光、光波导、光调变器、光侦测器、耦合器、开关、共振器及光放大器等，每个光子组件使用的主要材料与组件架构皆不相同，大大提高设计与制造可编程(programmable)硅光子集成电路光路的工艺整合复杂性与扩充性等技术挑战，也是可程序设计硅光子集成电路的主要路碍。此外，采用先进CMOS工艺技术固然可以大幅微缩硅光子组件的几何大小至纳米级别，但是传统光绕射的物理极限才是严重地制约光子组件空间解析能力的主要路障。近年来，超颖表面(meta-surface)技术俨然成为量子光子的显学，为突破传统绕射光学组件的物理限制提出解方。[11, 12]超颖表面科学引进新颖的共振概念，为设计紧凑小巧(compact)、宽带、高速、减薄厚度的光学组件提供了设计的平台。运用次波长（sub-l）纳米结构，佐以低损耗共振介电结构，可以充分发挥超颖光学在量子领域应用的潜力，例如: 量子光源(单光子源、双光子源、多光子源)、量子光侦测(单光子侦测器)、以及量子光操控等。

本文研究团队运用CMOS工艺技术制作锗量子点，在SOI或是氮化硅平台上开发氮化硅波导耦合锗量子点PIN光侦测二极管以及锗量子点光敏晶体管，期盼可以突破传统块材或是经典光学组件的制程以及设计瓶颈。本实验团队于2018年率先报导创纪录的高侦测度（Detectivity：6×10¹²cmÖHz/W）的锗量子点光敏晶体管，如图一所示。[13]

我们更进一步在2022年旗舰型IEDM国际会议中报导[14]，单石整合的氮化硅波导(含:光栅耦合器与波导锥)、锗量子点微型碟光源以及光子侦测器等组件，可以供近紫外—可见光的离子阱感测应用，如图3所示。
 

虽然量子点光电组件确实展示极佳的功能性，但是量子点的面积填充因子(area fill factor)小、尚需透过垂直堆栈多层数且几何形貌与直径均匀的量子点数组，以提高激光光源的输出功率与改善热稳定性，或是扩大量子点光侦测器的吸光区域与增进量子效率。更需要热稳定性高的量子点数组，可与后续氮化硅光波导垂直整合，提升工艺稳定性以及扩充性。

在2026年，本团队更率先提出制作三维堆栈锗量子点/硅-氮化硅纳米共振腔的光侦测器[15]。运用锗量子点与硅纳米柱共振腔之间的米氏共振效应增强锗量子点与硅纳米柱的表面拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)，如图4所示。[16]我们更进一步展示氮化硅微型盘内含堆栈锗量子点硅纳米柱数组的回音壁共振模态径向发光以及自供电(self-powered)锗量子点光侦测器，如图5所示。

我们所开发的锗量子点制作技术，系直接运用CMOS工艺技术，具有极佳的工艺掌控性以及组件设计的工程化优势，可以直接制作量子位、单电子晶体管与光敏晶体管等，具有实用与产业化之可行性。有助于开拓量子计算、光连接等技术。

References
[1] S. Shekhar, W. Bogaerts, L. Chrostowski, L. et al. “Roadmapping the next generation of silicon photonics,” Nature Communications, vol. 15, 751 (2024)
[2] Y. J. Mii, “Semiconductor industry outlook and new technology frontiers,” IEDM Tech. Digest, 1.1, Dec. 2024.
[3] Xuwei Xue and Nicola Calabretta, “Nanosecond optical switching and control system for data center networks,” NATURE COMMUNICATIONS, vol. 13, 2257 (2022) 
[4] C. Kachris and I. Tomkos, “Power consumption evaluation of all-optical data center networks” Clust. Comput. 16, 611–623 (2013).
[5] L. Poutievski et al.,” Jupiter evolving: transforming google's datacenter network via optical circuit switches and software-defined networking,” Proceedings of the ACM SIGCOMM 2022 Conference, Pages 66 – 85
[6] M. Yano, F. Yamagishi, and T. Tsuda, “Optical MEMS for photonic switching-compact and stable optical crossconnect switches for simple, fast, and flexible wavelength applications in recent photonic networks,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 11, 383–394 (2005) 
[7] “Optical switching in next generation data centers,” edited by Francesco Testa and Lorenzo Pavesi, Springer (2018)
[8] J. Hardy and J. Shamir,”Optics inspired logic architecture,” Optics Express, vol. 15, no. 1, pp. 150-165 (2007)
[9] S. L. Todaro et al., “State readout of a trapped ion qubit using a trap-integrated superconducting photon detector” Phys. Rev. Lett. 126, 010501 (2021)4
[10] David A. B. Miller, “Are optical transistors the logical next step?” Nature Photonics, vol.4, pp.35 (2010)
[11] J. Zhang and Y. Kivshar, APL Quantum, 1, 020902 (2024)
[12] V. Babicheva and A. Evlyukhin, Adv. Optics & Photonics, 16, 539-658 (2024)
[13] P. H. Liao, M. H. Kuo, C. W. Tien, Y. L. Chang, P. Y. Hong, T. George, H. C. Lin, and P. W. Li, “Self-organized gate stack of Ge nanosphere/SiO2/Si1-xGex enables Ge-based monolithically-integrated electronics and photonics on Si platform,” VLSI Tech. Dig., pp.157-158, June 2018
[14] C. H. Lin, P. Y. Hong, B. J. Lee, H. C. Lin, T. George, and P. W. Li, “Monolithic integration of top Si3N4-waveguided germanium quantum-Dots microdisk light emitters and PIN photodetectors for on-chip ultrafine sensing,” IEDM Tech. Dig. pp. 451454, Dec. 2022.
[15] Shih-Hsiang Yang, Maria Isabel Alonso, Horng-Chih Lin and Pei-Wen Li, “Mie-mediated edge-enhanced Raman scattering of vertically-stacking Ge quantum-dots/Si-SiN array for enhancing photoluminescence and photodetection,” Scientific Reports, vol. 16, 6061 (2026)
[16]Shih-Hsiang Yang, Maria Isabel Alonso, Horng-Chih Lin and Pei-Wen Li, “Probing Mie scattering effect of Si-embedded Ge spherical QDs array using Raman analysis,” Nanoscale, vol. 18, 4104 – 4110 (2026).