電子與光學領域是歐洲研發與創新的重要議題。將電子、核心光學(core photonic)、被動式光纖(Passive optical)這三者整合成為一體內並微型化的技術，稱為光學積體電路(Photonic Integrated Circuits, PICs)。PICs在農業和自然資源、安全和監控關鍵基礎設施、工業感測和自動化、醫療保健、行動與太空通訊以及消費性電子產品等方面，都比傳統電子式的積體電路，運算更快速、更低耗能、更可靠。

歐盟在四個方面提出計畫與投資，以建立PICs領域的發展。(1)建立元件、系統設計與光學的研發整合產業生態，打造具價格競爭力的解決方案。(2)中小規模企業已經具備光學積體電路的生產能力，但建立具有成本競爭力的生產技術仍是挑戰。(3)打造產業鏈: 包含材料、設計系統、前端晶圓製造、後端測試、組裝和封裝。(4)相關技術人才之培養。

一、工業與社會需求
近期的地緣政治緊張、COVID-19疫情和俄烏戰爭暴露了歐洲的脆弱性，需要增強晶片供應鏈的韌性和戰略自主性。積體光學對歐洲具有經濟潛力，並有助於建立具戰略性的晶片製造。未來十年中，在技術、經濟和區域安全都具有地緣政治重要性。歐盟需要通過投資和政策，將過去積體電路以研發導向為重心，轉變為製造導向的工業。

(一)國安需求
由於美國商務部工業安全局(BIS)在2022年10月對中國高端晶片的與晶片生產設備的管制令，並基於國安考量，歐盟不得再向中國購買晶片的未來趨勢下，使得歐盟晶片法案意識到在晶片設計與半導體製造必須加快投資的進度。晶片法案的目標是建立整合生產設施、建立在歐晶圓廠。

(二)歐洲的戰略主權
歐盟對於光學積體電路的政策與地緣政治有關。藉著通過「歐洲共同利益重要項目」(IPCEI)與歐盟晶片法案，歐洲可以在關鍵基礎技術進行研發與投資生產，落實技術主權。但這不代表歐洲要建立自給自足或壟斷產業為目標，而是建立歐洲在全球供應鏈關鍵地位。
技術主權對歐洲的競爭力與經濟至關重要，更支持歐盟維護自由民主的價值。歐盟晶片法案旨在擴大半導體產業，並且專注於未來的潛力技術，並為了光學、人工智慧與量子領域的應用突破做好技術上的準備。

(三)綠色計畫
光學積體電路的應用，可以實現數位轉型與綠色計畫兩大目標。數位轉型:感應器、攝影機、雷射與通訊技術，可以使環境中物理數據取得更容易。綠色計畫是指利用光學原理來提升能源效率、節省材料空間與材料重量，實踐供應鏈可續性，目標是到2030年可減少30億噸二氧化碳排放。

(四)數位社會與安全
光學積體電路是可持續、低能耗、低碳排的半導體解決方案。同時也是量子通訊中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至關重要。歐盟雖然在半導體系統設備擁有關鍵地位(如愛立信、諾基亞)，但在收發模組卻完全仰賴中國與美國的進口。因此，建立歐洲本土光學積體電路供應鏈，提供有價格競爭力的半導體元件，才能確保歐盟在數位通訊的安全與主權。

二、展望與趨勢
未來主要市場與需求
以光纖作為數據傳輸與連接的技術，一直以來以其高容量、高傳輸速度、高覆蓋率的優勢，為數位傳輸科技貢獻卓著。特別是在長距離的傳輸，光纖仍是不可取代的地位。未來發展的5G與6G雖然以無線行動通訊作為訴求，但在長距離的傳輸仍以光纖技術為主軸。雲端、高功能運算與其他新興應用推升了傳輸速度的需求，同時，低成本、低耗能、降低數據中心佔地面積，也是數據傳輸未來發展趨勢，這些市場需求都能以發展光學積體電路得到解決。

(一)通訊功能
․下一代光通訊速度將進入以每秒130億次的符號速率(130GB)的世代，意味著新傳輸組合才能滿足如此需求：也就是把新材料、矽光子(silicon photonics)平台與其他電子元件整合在一起，創造高效能、低能耗與低成本的通訊元件。
․為達成高傳輸與滿足戶外與極端環境下使用，相較過去較分散式設計，若能盡可能把光學元件集中，便可減少損耗與增加頻寬，此技術稱共同封裝光學元件(co-packaged optics，CPO)。組裝與封裝製程是光學元件中最大成本，而元件彼此校準與對位又是其中最耗時部分。因此發展精準對位技術，簡化加速與自動化可以大幅降低光學積體元件的成本。
․光學元件的測試涉及晶圓級尺寸，目前業界並無標準化流程，無形中增加不同廠商之間的測試時間與成本。發展自動化與機械人生產可降低成本與提升光學元件可靠度。
․增加光纖傳輸中所使用的頻段範圍，可以最有效率使用光纖頻寬。光學積體電路利用新的光學材料來適應寬頻段並且維持好的傳輸品質，提供大容量與高傳輸速度。
․過去透過調整光訊號方式提升光纖速度的方式，在充分使用光纖頻寬後已不足以提升速度性能，因此必須採用多條光纖或是多核心光纖(multicore fibers)，並增加收發器，以實現空間上的並行傳輸。另外，新的光纖技術可以讓光保持直線性(linearity)，讓光訊號不失真或被干擾；較低的訊號延遲；更寬廣的頻寬。新技術能突破通訊的極限。
․光學積體電路所產生的大量訊號，必須依靠即時監控(real-time network measurement)、遙測、人工智慧(AI)、機器學習(ML)等等網路自動化調整與最佳化的機制，來確保訊號品質。
光通訊是利用光與電的彼此互換性質應用而來，在過去與可預見的未來依舊是發展主軸。為此，光學積體電路的持續發展仍然是未來的趨勢。

(二)高功能運算
高功能運算(HPC)在天氣預報、藥物開發中的分子模型模擬、人工智慧運算…等等眾多日常領域扮演重要角色。以PICs元件(光纖)做連結的方式具有許多優點，保留這種核心優點，另外用硬體加速器這種模組化的方式來提升訊號品質，不但可以突破晶片發展瓶頸，也可兼顧基礎設施的可持續性。

網路數據中心有10~40%的能源消耗用於數據傳輸，光子傳輸比電子傳輸更能減少能耗與提升訊號性能，特別是正在發展中的百萬兆超級電腦(exascale)都是採用PICs作為核心運算功能。使用矽光子與電子元件組合成的共同封裝光學元件，是一種新的構建方式，提升了光元件的優點，同時具有價格競爭力。
․高功能運算伴隨龐大數據面臨之挑戰:
1.數據傳輸距離越長，訊號延遲與能源消耗越嚴重。可透過統一處理器與加速器的記憶體(Memory Access)與盡量把兩者靠近，再透過矽晶片處理來達成縮短傳輸距離的問題。
2.成本問題。光學積體電路已使用在數據中心，但由於價格過高，其他的連接使用仍有成本考量難以推動。
3.數據安全。元件規格決定了系統架構能夠展現的功能和性能。加速器技術的多樣化可以提高系統的計算能力，而模塊化和可組合性則可以提高系統架構的靈活性。這些都是確保數據安全所需的重要因素。

未來以光學積體為基礎的高功能運算，還可能演化成顛覆傳統的運算技術，比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)農業生產與環境監控
當代氣候變遷議題，讓溫室氣體與有害化學物質的監控成為重點科技。光學感應器的優勢可以大幅幫助這類的監控，但仍需開發新的平台技術，來偵測大多數有害物質所處的中紅外線(MIR)光譜波段。此外，監控農作物生長參數，並利用控制參數來調節作物的生長，可以最佳化農產品的量與質。

(四)關鍵基礎設施的安全
光電感應器在監控關鍵基礎設施具備微型化、節能、可長期監控的優點。比如建築與橋梁結構的監測應用、光纖感測系統用於監測侵入者。光學感應器也可有效監控爆炸物質、有毒氣體、化學物質和有毒微生物。

(五)工業用感測與自動化
數位化和自動化是工業界的趨勢。工廠正被自動化機器和人工智慧所取代，這些技術增加了產能，改善品質與可靠性，降低製造成本。光學積體應用在其中扮演著關鍵角色，透過微型化的感測器和成像系統，並藉由光通信的來達成自動化生產。

(六)醫療與健康
內視鏡、醫療光纖照明、光纖引導手術、斷層掃描…等等都是光學積體的應用實例。未來發展非侵入式的穿戴式檢測也必須使用光學積體技術。

(七)消費性電子產品
把顯示器和光學感測應用於頭戴式設備是消費電子產品中一個重要的趨勢。擴增實境/虛擬實境/擴展實境(AR/VR/XR)，為使用者提供特定的數位體驗。通過輕鬆與他人連接，並藉著環境感應器和網路訊息的提供，用戶可以享受更舒適和安全的生活。為實現此目標，需要光源、用於光束成型和操作的光學元件、顯示技術和傳感器等元素。在這個領域中，要考量輕量化、低功耗、可擴展性和成本效益。此外，還需要高度積體化的電路解決方案，包含所有必要的光、電元件。

(八)移動與太空需求
自駕車有別於傳統，是即將發生的未來移動概念。其中特別的是光學雷達(LiDAR)系統，它不僅是自主駕駛的基礎，也是優秀的防撞系統。此外，光電核心技術也可解決自駕系統中人機互動(user interaction)問題。自駕車速度快，並牽涉人身安全，因此所有的技術發展都需要在最嚴格的審查下進行，以滿足各種極端條件下的路況。太空中的光學積體電路主要是：衛星之間通訊、衛星電磁波輕量化、衛星內數據交換等應用。全球市場估計產值為100億美元，年增長率為23%。

(九)其他應用
積體光學的應用也可對應於「微機電系統」(MEMS)、量子感應器、可擴展波長雷射等方面。積體光學對於第二代量子技術也扮演關鍵角色，涉及運算、安全通信和傳感器等領域。

三、技術動向
光學積體電路的技術走向取決於未來應用需求，但降低成本、輕薄短小、低能耗是具體的綠色趨勢。技術挑戰在於適當的共同架構，包含可加工與相容性，還有散熱議題的解決，且光與電元件積體混合仍缺乏標準解決方案。最後在品質驗證，甚至引申出的法律問題也無標準定案。

工業上異質整合
光學積體電路在工業應用上有幾個趨勢:
․光學電路的混成(hybrid)與異質(heterogeneous)
PICs結合不同種材料與堆疊結構構成的不同特性，目前較成熟的晶片架構是:矽、矽氮化合物、磷化銦三種。一種材料適用所有需求的情況並不存在，此趨勢稱混成與異質。例如光纖未來的發展可能會使用:微印刷移轉(micro-transfer printing)將光與電元件集中在矽基晶片上；把不同材料的晶體生長在同一個晶體上以延伸更多功能的「異質外延生長」（Heteroepitaxy）。目前利用新的半導體材料(砷化鎵)與矽晶片的異質結合已產生新型態的光電功能，但仍需繼續發展為成熟製程來降低成本。
․晶圓的朝向大尺寸製造。越大尺寸的晶圓可光刻越多的晶片，提高生產效率與製程精度。如矽光子朝向直徑300毫米、氮化矽（SiN）由200毫米朝300毫米、砷化銦（InP）由75-100毫米朝向150毫米。
․光學晶片的製造上，大部分採用後端線(BEOL)將光電元件整合，小部分使用前端線(FEOL)，後端線製程成本較低，但前端線製程可以有較好的光學性能。
․大尺寸晶圓製造光晶片時，需要用到加熱器，這會增大功耗，與光子晶片的低能耗需求相衝突，因此需要研發新的技術取代加熱或者改善加熱器的能耗。

四、全球市場動向
歐盟的光學積體產值由2015年的7600億歐元增長到2019年的1,030億歐元，年均增長率為7％，佔全球市場的16％，在過去4年保持全球第2的位置。但是歐洲在產業中的製造相對是非常不樂觀的狀況。有以下幾個觀點:
․光學積體電路應用在汽車、電信、運算、醫療是戰略型產業。
․歐盟佔全球20%光電晶片需求。
․缺乏製造能力將不力於歐盟的汽車產業。
․全球半導體對汽車晶片的特殊需求不能滿足，限制了歐盟汽車產業發展。
․歐盟必須掌握半導體生產能力才能獲得戰略優勢。
歐盟發布晶片法案（Chips Act）鼓勵晶片在歐生產，建立自主晶片生產能量。全球網路公司對於自身數據中心設備的提升，推升了網路流量需求，預計能以共同封裝光學元件技術(COP)來達成高網速、低功耗與微型化的趨勢。光子處理(photonics-based processing)與可程式化光子(programmable photonics)的研發，可以提供網路連接的功能有別於傳統的解決方案。

五、 歐盟在研發與工業能力的優劣分析(SWOT)
積體光學的詳細分析
(一)製造業門檻
1.優勢:有光學積體電路量產能力、微電機系統(MEMS)技術。有製程設計套件(PDK)優勢(一種IC設計與晶圓製造間的溝通工具)。有電子、光學、封裝完整產業與PICs製造經驗。由卓越的基礎研究機構跟大量相關的中小型創新公司。
2.劣勢:低產量以至於標準化製程有限，交期長導致商業化量產速度緩慢、製造學習速度緩慢、成長力道僅止於美國五大通訊業者。
3.機會:在InPulse, PIXapp這兩機構強力輔導下幫助IC設計與晶圓製造之間的溝通，並讓製程設計套件更深層的標準化。通過數位通信與雷射技術生產大尺寸晶圓，加快量產的經驗累積。
4.威脅:半導體大廠較重視傳統電子製程。半導體人才儲備不足。供應鏈交期過長。缺乏能源。
5.總結建議：相比亞洲，歐盟仍缺乏量產能力。IC 設計業規模仍不足。
製程設計套件在光電新興議題也有缺失待加強。晶片法案需要鼓勵設備業者從歐洲直接在地採購，加強半導體基礎設備的投資興建。

(二)製造設備
半導體製造是一個非常複雜且全球化分工清楚的產業鏈。製程涉及多個步驟，並由專門的材料、設備、軟體設計工具和核心智慧財產產業鏈組成。先進製程設備由美國、日本和歐洲的企業開發。美國企業在五個主要製程設備中的市佔率超過50％。，日本在光阻劑市場則超過90％市佔率，歐洲公司ASML在EUV光刻機則幾乎近100％的全球市佔率，這是製造7納米以下先進製程所必需的。
1.優勢:歐洲有半導體材料、光刻、計量等關鍵生產設備能量，並有卓越的製程研究機構。
2.劣勢:歐洲在光電晶片與元件領域幾乎沒有生產大廠。在筆電與手機市場上缺乏競爭力。設備製造商交期長達24月。
3.機會:光學領域預計將有更多應用推動需求帶動經濟。歐洲晶片法案期盼能讓歐盟在2030年達到全球晶片市佔率20%願景。歐洲在異質整合(heterogeneous integration)上有強大研發能力。
4.威脅:地緣政治緊張、通膨、供應鏈中斷，對於包含光電的半導體影響甚鉅。中美兩大產業競爭者加大投資力道，使歐盟備感壓力。歐盟缺乏完整產業鏈及足夠的工程師。
5.總結建議：雖然歐洲有ASML、Aixtron這類超強企業，但在製造設備上仍有許多短處亟待加強。

(三)晶片設計
歐洲的IC設計軟體業遇到兩個挑戰.一個是美國的兢爭者的加入. 另一個是PICs的設計尚未有標準化的電路設計，這提高了設計出錯的風險以及延後了生產時間。
1.優勢:歐盟在最先進的「光子設計自動化」(PDA)已有相當的開發與銷售經驗，以此為基礎在「光電設計自動化」(EPDA)的發展上更具優勢。
2.劣勢:目前光電整合需求較少，且歐洲量產規模不足，光子設計師大都在歐洲以外地區，歐洲光子設計需求大多轉向美國業者。
3.機會:幫助歐盟內部或其他地區IC軟體設計公司的整併，創造協同效應。歐盟增加的晶片生產有利於IC軟體設計市場。協助軟體設計在其他新領域的應用開發(感測、分析、模擬光子學)。
4.威脅:地緣政治很可能讓歐洲軟體設計業者移轉到美國，若歐洲無法及時提供新興技術與開發軟體，將錯失增長的市場需求。
5.總結建議：建立真正能融合電子、光子，並將散熱問題考量在內的設計軟體，相容現有使用的設計工具。支持歐洲EPDA產業，使光學的製程設計工具（PDK）能夠達到與傳統電子設計相同的等級。幫助軟體設計業者能快速開發適合新技術趨勢（如LNOI）和應用領域（例如感測、分析、類比光子學）的工具和流程。若能有一套各種技術場景下都能通用的電路設計軟體，可以大幅提供效率。

(四)組裝、共積體、計量和封裝
積體電路（IC）的封裝目的是以堅固且可控的外殼保護脆弱的光電元件。封裝材料需要應對極端環境的因素，其過程應符合應用領域和行業標準。先進的封裝技術被認為是實現新型混合架構的關鍵技術。
1.優勢:歐盟擁有豐富的製造專業經驗與知識。有專業即時作業系統RTOS廠商。
2.劣勢: 缺乏一級領導企業、缺乏共同設計的整合解決方案。
機會:歐盟有強大的自動化技術。有光學共同封裝技術(Co-packaged optics)、先進封裝技術(chiplet)。
3.威脅:亞洲的封裝業者占據主導地位，而歐盟缺乏封裝標準規範。

六、研究、創新和工業化優先順序
1.建立電子與光學元件的產業生態。藉由共同設計與製造、利用混合與異質技術發展光電積體電路。
2.幫助中小企業將試驗室原型開發成商品與量產化。
3.確保半導體產業鏈:自材料、IC設計、晶圓製造、測試、裝配和封裝各個環節的緊密聯繫。
4.光電相關人才之養成。

七、計劃和資金建議
歐洲在光學積體領域的研發成果卓越且活躍，但是生產規模卻不大。這代表實驗室原型到成熟產品問世有很大的區別。歐盟委員會需要提供何種幫助以幫助建立真正
1.從原型到量產
產品開發過程從原型到大規模量產:從設計、樣品生產、特性化和測試等步驟，都必須經過與客戶密切溝通與合作，才能確保產品符合規格與品質要求，最終開發出成功的產品。過程復雜且需要大量資金，若有缺陷的產品可能造成未來不可預期的賠償風險與法律問題，不成功的產品也會成為競爭者的改善對策的靈感來源。
2.歐盟委員會需要提供資金幫助企業量產化
歐盟需要一個明確的法律保障環境，為創新解決方案開闢快速通道。現行的法規必需包含新興技術，這也是產品標準化的重要環節。高昂的研發成本，需要靠量產商業化才能讓研發具有持續動力。利用資金建設技術與該技術可應用領域的平台；鼓勵應用端的企業。讓原型產品與量產產品，都使用相同技術來彼此銜接，並且讓產官學可共享半導體測試設備。鼓勵產學合作、培育人才。歐洲共同利益重要計畫 (IPCEI)即是特別針對積體光學的重要工具，期盼能讓產品量產與商品化，並發揮歐盟優勢，以整體產業鏈的角度去思維，方能建立一個具有成本效益的半導體產業。