一、前言

電子與光學領域是歐洲研發與創新的重要議題。結合光學與半導體製程等技術，將光偵測器(Photodetector)、光學調變器(Optical Modulator)等光學元件(Optical Components)與電子元件整合至微型系統中，稱為光子積體電路(Photonic Integrated Circuits, PIC)。歐洲目前正在推動電子技術與光子學的研究與發展，尤其是英國、荷蘭及西班牙，各成立了PIC創新中心¹，並與大學院校、研究中心合作，發展PIC的設計、製造及測試相關技術。PIC技術路線圖如下圖所示。

歐洲推動PIC發展應用之首要任務包含：(1)建立電子元件、系統、光學設計的研發整合產業生態，共享資源、知識及專業技術，打造具價格競爭力的產品優勢；(2)已具備PIC生產能力之中小企業，需持續開發具有成本競爭力的生產技術；(3)確保產業價值鏈的鏈結，實現高效運作，以滿足市場需求，包含材料、系統設計、前端晶圓製造、後端測試、組裝和封裝；(4)培養具有PIC相關專業知識與技術之人才，以滿足未來PIC技術的應用與商業化需求。

二、產業與社會需求

COVID-19疫情、俄烏戰爭爆發、地緣政治緊張，揭示了歐洲的脆弱性，迫使歐洲加強晶片供應鏈市場的韌性與戰略自主性，為此，歐洲光子積體電路的發展受到產業與社會需求的驅動，下列為主要關注項目。

(一)供應鏈安全
2022年10月，美國商務部工業和安全局(Bureau of Industry and Security, BIS)制定中國高階晶片及其生產設備出口的管制令，出於國家安全考量，歐洲不得再向中國購買晶片，促使歐洲晶片法案的推動需加快進度。歐洲晶片法案的目標是建立與整合半導體的生產設備、在歐洲境內建立晶圓廠，以增加歐洲對晶片供應鏈的自主性與控制能力，降低對外部供應的依賴。

(二)自主決策權
歐洲PIC政策致力於確保關鍵技術(Key Enabling Technologies, KET)主權。技術主權對歐洲的競爭力與經濟極為重要，支持歐洲實踐自由民主的價值，以及國家戰略利益安全，因此，歐洲絕對需要在全球半導體價值鏈中佔據不可或缺的地位。歐洲在PIC領域擁有豐富的知識與創新能力，將能成為歐洲的寶貴資產，藉由「歐洲共同利益重要項目 (Important Project of Common European Interest, IPCEI)」與歐洲晶片法案，在關鍵技術進行研發與投資生產，落實技術主權。這並不表示歐洲要建立自給自足或壟斷產業，而是要建立歐洲在全球供應鏈的關鍵地位。

(三)綠色計畫
將PIC用於高頻且高速傳輸的高階光纖通訊技術，可節省光纖元件的空間與材料，減少能量的損失和散射，傳輸損耗較低，進而提升能源效率。依據德國光學、光子學、分析和醫療技術產業協會SPECTARIS的研究報告，光子學技術具備降低碳排放的潛力，包括能提供更為節能的照明；降低資料中心以及5G通訊的能源消耗；透過光感測器監測環境，降低森林大火發生機會，或監測農作物生長，減少肥料與殺蟲劑的使用量；發展先進雷射技術，應用於工業生產(如瑕疵品檢測、焊接製程優化)，以減少生產製造之碳排放與資源浪費等。估計2030年，採用光子學技術與解決方案能減少約30億噸的碳排放。

(四)數位安全
PIC也是量子通訊(Quantum Teleportation)收發模組的關鍵技術，而量子技術對於未來網路與通訊安全極為重要。歐洲雖然在半導體系統設備擁有關鍵地位，設有愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)公司，但收發模組卻完全仰賴中國與美國。因此，建立歐洲境內PIC供應鏈，提供具有價格競爭力的光電元件，才能確保歐洲在數位通訊的安全與主權。

三、市場應用趨勢

PIC在數據傳輸、高效能運算、其他新興應用市場中扮演著重要角色。PIC技術走向決定於產品的未來應用與需求，降低成本、輕薄短小、低能耗為主要的綠色趨勢，目前，面臨的挑戰包含可加工性、相容性、散熱功能，以及尚未標準化之品質驗證問題。下列為PIC市場應用趨勢。

(一)通訊功能
PIC提供光通訊系統更高效、可靠的訊號品質，將推動光通訊技術之發展。為了支持下一代光通訊系統數據傳輸的需求(600-800 Gbit/s)，需要整合新材料、矽光子(Silicon Photonics)技術及電子元件，創造高效能、低能耗、低成本的通訊元件，包括：發展先進的封裝技術，如共同封裝光學元件(Co-packaged Optics, CPO)技術，將多個光學模組整合，並縮小產品體積，以減少光學訊號在光纖傳輸過程中的損耗，提供更快速的數據傳輸；發展先進測量技術與制定測量標準；使用多條光纖或是多核心光纖(Multicore Fibers)，並增加收發器，實現並列傳輸 (Parallel Communication)。

(二)高效能運算(HPC)
高效能運算正面臨著諸多挑戰，例如提升數據傳輸與處理能力、降低訊號延遲、減少能源消耗、改善冷卻等。目前的資料中心約有10-40%的能源消耗用於數據傳輸。未來隨著百萬兆超級電腦(Exascale)系統的發展以及數據傳輸量增加，預計能源消耗佔比將會提升。利用光子傳輸數據能減少能源消耗、提升數據傳輸速度，降低訊號延遲。同時，CPO與小晶片等先進封裝技術，可將不同技術製成的小晶片或功能模組整合封裝，以縮小封裝後晶片的尺寸，並且提升數據處理能力。另外，PIC亦能促進高效能運算技術的創新，例如：類生物體的類神經運算(Neuromorphic Computing)、類比運算(Analogy Computing)、量子運算(Quantum Computing)。

(三)農業與自然環境
氣候變遷議題，讓溫室氣體與有害化學物質的監控成為重點項目，以光子技術為主體的感測器，已被用於檢測與測量危險物，包含溫室氣體、污染物、殺蟲劑，以及各種毒素的排放，具有高靈敏度與準確性。目前，成熟的光譜檢測技術所採用之波長範圍多介於400nm至3.7μm間。然而，多數危險物質在中紅外光譜(Mid-IR) (波長3至15μm，又稱為指紋區)有較明顯的光譜特徵。因此，需要能適用於該波段的檢測解決方案。此外，在農業與食品加工領域，使用光達(LiDAR)與高光譜影像(Hyperspectral Imaging)來監測土壤與水質、水果成熟度與缺陷，以控制參數來調節作物生長，並使用近紅外光譜(Near-IR)來監測農產品成分，達到農產品量與質的最佳化；相同地，也可用於食品加工流程監控，管理時間、溫度、壓力及pH值等物理參數。未來，該領域的目標是將光學感測器的尺寸、重量、能耗、成本最小化，達到普及化應用。

(四)公共安全
公共安全領域對於快速且非接觸式檢測技術的需求持續增加。PIC能發展出微型化且節能的光纖感測器，在民用基礎設施的監控方面展現巨大的潛力，例如光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Gratings, FBG)解讀儀(Interrogator)，可精準地量監測待測物的應變(Strain)與溫度等參數。光纖感測器可應用於橋樑、高架橋、隧道、鐵路、道路建設的結構監測，以及侵入者、爆炸物、有毒氣體、化學物質、有毒微生物的偵測與辨識。另外，為了擴增光纖感測器的應用範疇與提升檢測的精準度，仍需要進一步開發出適用中紅外光譜分析的光纖感測器。

(五)工業
數位化與自動化是工業界的趨勢，PIC可應用於各種微型感測器，測量氣體、液體、固體材料的成分，薄膜厚度、表面形貌與粗糙度，以及距離、速度、加速度、溫度、壓力等參數。此外，PIC亦可製作成微型光達，或是2D與3D影像系統，應用於自動化製造流程系統；同時亦可發展成為先進製造工具/技術，如雷射加工。

(六)醫療保健
PIC於醫療保健領域應用廣泛。在醫學光學影像方面，PIC能縮小內視鏡尺寸、提供照明、提升影像解析度等，以協助醫師診斷癌症等疾病；PIC亦能發展成光子生物感測器，提升血漿或體液中生物標誌物(Biomarker)檢測地靈敏度。未來，藉由PIC技術，將發展出能同時檢測多組生物標誌物且具備優異檢測特性(如高靈敏度、高選擇性)的生物感測器與非侵入式穿戴式設備。

(七)消費性電子產品
PIC在頭戴式與行動裝置(如AR眼鏡)中扮演著重要角色，有潛力成為未來消費市場中的關鍵技術。例如PIC能應用於雷射光源、超透鏡(Metalens)、下一代全息投影(Holograms)、MEMS微鏡(MEMS-mirrors)、眼球追踪感測器等元件上，以改善頭戴式與行動裝置的顯示效能，並且降低功耗、減輕重量，進而提供用戶更豐富且舒適的互動體驗。

(八)交通
自駕車可為民眾提供環保、安全、便利的交通方式。光達(LiDAR)等環境感測技術為自動駕駛實現的關鍵。PIC有助於光達感測技術的發展與創新，包括光學相位陣列(OPA)光達、調頻連續波雷達(FMCW)等。此外，光子技術也能應用於車內的人機互動(User Interaction)裝置(如手勢感測器、眼球追蹤裝置)，增進用戶體驗。

四、結語

PIC能夠提供高速、大容量的數據傳輸功效，以及低能耗的優勢，市場潛力大，在技術、經濟及區域安全方面皆具重要性。目前，歐洲PIC發展的關鍵任務包含建立整合產業生態、強化生產能力、鏈結價值鏈、培養專業人才。未來，歐洲需要透過投資與政策的支持，將過去以研發為導向的積體電路產業，轉化為以製造為導向的工業體系，以提升歐洲的經濟安全性與地緣政治地位，為歐洲帶來更強大的經濟實力與競爭力。

註1：英國光子積體電路領先技術中心(EPSRC Centre for Innovative Manufacturing in Photonics)、荷蘭PIC研究中心(PIC Research Center)、西班牙光子學研究所(Institute of Photonic Sciences, ICFO)。