圖、標竿美國矽光子科研趨勢
關於矽光子半導體的重要性，矽光子目前已成為半導體領域的熱門議題，不僅是Semicon在2025年的核心主題，也是AI新十大建設的重要科技政策之一。當前焦點多在先進封裝、共同封裝光學（CPO）與資料中心/HPC，顯示其與超越摩爾技術的密切關聯。同時，科研趨勢也展現其作為超越CMOS的量子光子運算元件潛力。整體而言，矽光子兼具「超越摩爾」與「超越 CMOS」的定位，不僅推動產業鏈創新，也為未來應用與市場開啟更廣闊機會。
圖1矽光子技術在半導體領域之重要性資料來源：中經院(2025)；參考資料來自IEEE IRDS. (2022). More than Moore white paper: 2022 update. IEEE.
https://irds.ieee.org
壹、美國NSF之矽光子科研投入趨勢
一、矽光子科研投入趨勢：美國NSF
美國在矽光子領域的發展居於全球領先地位，其優勢來自於科研的早期投入以及快速回應產業應用需求的能力。其中，國家科學基金會（NSF）與國防高等研究計劃署（DARPA）是兩個最具代表性的推動單位：前者著重於前瞻科技的基礎研究，後者則聚焦於產業化與應用落地。
圖2 美國2015年至2025年NSF之矽光子科研投入趨勢
結果顯示，美國NSF在這十年間的計畫數量與經費投入呈現「波動中成長」的趨勢，尤其自2021年後明顯上升，與AI、生成式AI的快速普及高度相關；至2023年，計畫數量達到20件，總經費最高達約3.24億台幣。雖然2025年的數據尚未完整（僅涵蓋上半年），但已可看出延續的投入動能。在研究主題方面，早期主要聚焦於核心元件技術，近年則逐步擴展至跨領域應用，其中以量子光子（Quantum Photonics）與資料中心光互連（Data Center Optical Interconnects）為近年資金投入的重點方向，顯示美國正以科研與應用並進的模式，強化其在矽光子領域的全球領導地位。
從研究與產業投入的發展來看，人工智慧與高效能運算（AI/HPC）以及資料中心與通訊是矽光子目前進展最快的兩大主軸：前者透過矽光子技術改善運算能耗並加速資料處理，滿足AI與HPC對高速低耗能運算的迫切需求；後者則利用矽光子互連提升頻寬並降低延遲，廣泛應用於資料中心、電信骨幹及5G回傳。
除上述兩大核心領域外，矽光子技術的應用正逐步擴展至其他新興方向。其中，光學與環境感測領域涵蓋中紅外生化檢測與環境監測等應用；量子通訊與運算方面，則聚焦於光子量子位元互連與處理器開發，以推動量子網路與新一代運算架構；醫療與生物光子則利用光子積體電路（PIC）於生醫感測與高精度成像，展現跨域創新潛力。
圖3 美國2015年至2025年NSF之矽光子科研應用趨勢
在NSF的矽光子研究計畫中，熱門關鍵字顯示除了人工智慧外，主動型光學元件（如雷射光源、光調變器、光檢測器）出現頻率極高，反映出高速通訊與AI/HPC對這類元件需求快速增加。這些主動元件直接影響資料速率、功耗與靈敏度等核心性能指標，因此成為科研計畫的重點。
相較之下，被動元件技術已趨成熟，而主動元件則被視為突破性能瓶頸的關鍵。此外，可程式化光子積體電路（Programmable PIC）也逐漸受到重視，其概念類似「光學版FPGA」，透過在單一晶片上整合雷射、調變器、濾波器與探測器等元件，並允許連接方式與參數以軟體設定，實現靈活調整與重複利用。整體趨勢顯示，矽光子研究正從單純的元件開發邁向系統整合與小型化、低功耗方向，而主動元件的重要性則持續升溫，將成為未來影響技術突破與產業化的核心焦點。
量子光子技術（Quantum Photonics）自2021年起在美國NSF的Quantum Leap等計畫推動下快速升溫，逐漸成為矽光子應用的重要方向，涵蓋量子通信、量子運算與量子感測。核心技術包括：單光子源（支援量子運算與通信）、糾纏光子對（量子密鑰與網路）、量子記憶（量子訊息延遲與同步）、量子互連（異質量子系統交換）、以及拓撲光子學（提升穩定性與抗雜訊）。目前已有計畫開發CMOS相容的矽基單光子源與量子點，顯示矽光子正加速與量子資訊技術深度融合。
圖4 美國2015年至2025年NSF之矽光子科研應用熱門關鍵字
二、矽光子科研投入趨勢：美國DARPA
回顧美國DARPA（國防高等研究計劃署）在矽光子領域的投入，觀察到一條由基礎元件→封裝整合→系統應用的技術演進路徑。早期的研究計畫數量雖然有限，重點在於關鍵元件的突破，如光收發模組，這些成果如今已在產業中成熟並廣泛商用，成為矽光子應用的基礎。
隨後在2011年至2018年期間，DARPA將重心轉向異質整合與封裝級光互連，這一階段的研究不僅是技術深化的過程，更為後續產業化鋪設了核心基礎。當前矽光子的發展，正處於封裝整合期，以共封裝光學（CPO）與異質整合為技術焦點，預期2025年至2027年將進入大規模部署，並逐步邁向更完整的系統化應用。在近期（2019年後），DARPA開始推動系統整合與AI加速應用的研究。雖然進展相對較緩，但被視為2030年前後可能出現早期市場的關鍵突破點，特別是在量子通訊與光子AI加速器等新興領域。
整體而言，雖然DARPA的定位以國防軍事應用為優先，但其在矽光子上的長期投入，正如當年GPS的發展歷程一樣，不僅支撐軍事需求，更持續帶動前瞻科技向民用與產業化的加速擴散，扮演了推動前瞻科技向產業化擴散的關鍵角色。
圖5 美國2005年至2025年DARPA之矽光子科研投入趨勢
關於近三年DARPA在矽光子科研投入，主要集中於兩大方向，分別是深度光電整合與高速互連，以及量子級光子技術的實用化。在前者方面，DARPA推動以晶片內光電共設計（Co-Design）為核心的技術發展，目標達到100Tbps級高速傳輸，以支援AI、高效能運算、資料中心等對超高速低能耗通訊的需求。目前相關技術已進入量產準備階段，但仍面臨熱管理、製程整合與雷射光源穩定性等挑戰；不過，隨著產學研合作與投資增加，該領域正快速朝商業化邁進。
深度光電整合與高速互連，旨在將光子元件（如調變器、檢測器、雷射）與電子電路（ASIC、GPU、處理器）整合於同一平台，以突破傳統電連線的頻寬與能耗限制。其核心包含三大方向：共同封裝光學（CPO），代表計畫為DARPA PIPES，目標達到每封裝100 Tbps傳輸；晶片內光電共設計（Co-Design），如POEM/LUMOS，強調CPU/GPU與光I/O的協同最佳化；以及異質整合（Heterogeneous Integration），以3D光繞線與垂直光耦合提升三個數量級的連結密度，代表計畫為DARPA HAPPI。具體而言，上述這些矽光子技術正驅動AI與HPC邁向高頻寬、低能耗的新世代架構。
圖6 美國2005年至2025年DARPA之矽光子科研投入趨勢
三、矽光子新創趨勢和產業機會
整體而言，2025年矽光子新創生態以CMOS相容矽光子元件為核心，並向異質材料、量子技術及設計平台拓展，反應出矽光子既重視與既有半導體製程的兼容性，也在積極探索突破性的新材料與新應用場景。技術類別說明如下：
- CMOS相容矽光子技術為主流方向，新創數量相對最多。這類公司專注於在傳統CMOS製程平台上開發光子元件，如波導、調變器、光檢測器等，其特點是可直接利用現有半導體晶圓廠製程進行量產，降低導入門檻並確保製造規模效益。代表性企業包括 SCINTIL（法國）、DustPhotonics（以色列）、SiFotonics（美國，實際註冊地與據點在北京）、Analog Photonics（美國）、Nicslab（美國）、Star、Lightmatter（美國）、Xscape Photonics（美國）及nEye Systems（美國，早期融資與中國資本相關）。
- 異質整合與材料導向技術，強調在矽基底上引入III-V 半導體、有機EO材料、相變材料、石墨烯等，以補強傳統矽材料的功能限制，代表新創如NLM Photonics（美國）、TimeSilicon。
- 量子矽光子技術，結合量子光學與矽製程，瞄準量子通訊與量子運算應用，如Pixel Photonics（德國）、Black Semi（德國）。
- 矽光子設計與模擬平台/EDA也逐漸興起，如Star Photonics（以色列），專注於提供設計工具與軟體支持。
圖7 2025年矽光子新創生態樣貌資料來源：整理自CB Insights、Crunchbase、PitchBook。
就國內矽光子產業的發展機會而言，根據中華經濟研究院所進行的產業專家訪談結果，歸納出以下五項建議。
建議可從技術、製程、設備、應用與合作五大面向展開，逐步建立完整生態系並提升國際競爭力。
- 在技術方向上，應聚焦Optical I/O的發展，結合光電訊號轉換、光源、光波導、共封裝光學（CPO）、先進製程與測試技術，並同步推動技術路線圖與國際標準制定，確保在關鍵技術與話語權上占有一席之地。建議比照「國家晶片中心（NDL）」模式，設立國家級矽光子研發與製造共享平台，支援技術驗證與產業共用。
- 在成熟製程方面，建議國內可善用現有成熟製程的廠商基礎，先行開發矽光子元件的量產，隨著應用性能需求提升，再逐步導入先進製程，以降低早期投資風險並加快市場切入。
- 在設備與測試領域，國際市場尚缺乏統一標準，正好為國內測試與設備廠商提供切入契機，可透過布局量測與檢測設備，成為矽光子晶片量產不可或缺的關鍵環節。
- 需積極佈局新興應用和市場機會，特別是在高速通訊、生醫感測與量子運算等潛力市場。建議結合關鍵技術節點與示範應用場域，透過合作開發與供應鏈綁定，縮短從原型到量產時程。
- 建議持續推動終端合作驗證與系統級整合測試，透過實際應用驗證機制，促進需求導向的技術發展，並在此過程中逐步形成本土矽光子生態系，強化中小企業的參與度與產業鏈連結性。
圖8國內矽光子產業機會與未來投入建議
資料來源：中經院(2025)
貳、結論
美國的科研發展趨勢對我國矽光子技術的未來布局具有重要啟示，其核心在於如何使科研投資與產業化需求緊密連結，進而形塑出一個需求導向、跨界整合的創新生態系。從美國 DARPA 與 NSF 的經驗觀察，可歸納出五項政策建議方向。
- 前瞻技術部署「強化核心元件與系統協同研發」：CPO（共同封裝光學）已成為全球矽光子技術的發展焦點。然而，美國經驗顯示，若要真正突破AI與HPC的運算瓶頸，必須同步推進晶片內光電共設計（Co-Design）與主動元件技術（如雷射、調變器、光檢測器）的研發。這些元件直接影響資料傳輸速率、功耗與延遲，是驅動高效運算與低能耗系統的關鍵技術。
- 產業鏈投資與生態系建構「以Optical I/O為核心帶動供應鏈整合」：在矽光子產業化布局上，建議以Optical I/O技術為核心，串聯設計、製程、封裝與測試環節，建立完整供應鏈體系。應特別著重需求導向的生態系發展，鼓勵中小企業參與模組製造、封裝材料與零組件開發，以提升產業多元性與韌性，避免供應鏈過度集中於單一主體。
- 測試與設備發展「搶先佈局國際標準與量產驗證能量」：目前矽光子量產尚缺乏統一的國際測試標準，這為台灣測試與設備業者帶來重要契機。建議政府支持相關業者建立先行測試平台與標準制定機制，促進國內矽光子製造的品質驗證，並積極參與國際標準組織。
- 應用拓展與創新布局「由通訊核心延伸至多元應用領域」：高效通訊將是近期最具市場潛力的應用方向，台灣可憑藉既有網通與資料中心供應鏈優勢作為切入點。此外，中長期可嘗試布局生醫感測與車用電子等新興應用領域，形成多元化的矽光子應用生態系，降低對單一市場的依賴，提升整體產業韌性與長期競爭力。(4085字；圖1)
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