左2起為國研院台灣半導體研究中心林銘偉副研究員、國立清華大學電子工程研究所劉怡君副教授、國科會林廣宏主秘、國立清華大學電機工程學系彭朋瑞副教授、國立清華大學電機工程學系謝秉璇副教授。(圖／台中市政府提供)
隨著科技快速發展，晶片設計技術正面臨前所未有的挑戰。在國科會「關鍵新興晶片設計研發計畫」支持下，由國立清華大學電機工程學系彭朋瑞副教授、謝秉璇副教授、電子工程研究所劉怡君副教授及國研院台灣半導體研究中心林銘偉博士共同組成研究團隊，成功開發「四階脈衝振幅調變(Pulse Amplitude Modulation, PAM-4)傳收機」。該技術結合共封裝光元件(Co-packaged Optics, CPO)模組，單通道傳輸速率可達100Gb/s，有望取代傳統插拔式進行光電轉換的傳輸架構，滿足更高傳輸速率與更低功耗之需求。
PAM-4傳收機係透過將傳送訊號由傳統2種振幅提升至4種不同可能的振幅輸出，以提高訊號承載資訊量，進而有效提升資料傳輸速率。然而，為準確解調4種不同振幅訊號，接收端電路架構相對複雜。對此，團隊提出創新之PAM-4接收機設計，其核心概念為善用低解析度類比數位轉換器，以實現高速資料的取樣與解調。
此技術能有效降低整體功率消耗，相較於國外各大高速晶片公司於100Gb/s傳輸率下使用7奈米(nm)以下的製程，可在28奈米(nm)製程下即能實現性能相當之傳收機電路。而此架構特性改良之外，晶片加入多項自我校正之功能，能抵抗晶片在不同溫度下以及因量產所造成之誤差，維持穩定一致的效能，提升實際量產與應用之可行性。
除PAM-4傳收機設計外，團隊亦以100Gb/s電傳收機晶片為核心，結合矽光子載板上之高速光電轉換元件，並透過異質整合封裝技術，成功開發出CPO模組，實現CPO模組需要高速之矽光子載板開發。矽光子技術是利用矽晶片製作光學元件，使光訊號能於晶片上進行傳輸與處理之技術。與傳統插拔式光模組相比，CPO模組能夠實現高度積體化的設計，縮減系統傳輸距離，有效提升頻寬及降低功率消耗。
相較於傳統電子訊號，光訊號具有更高頻寬與更低功耗，特別適合高速資料傳輸與人工智慧資料中心應用。透過整合光調變器、光偵測器與電子電路，可實現高速光電整合晶片與先進封裝系統。團隊已開發矽基微環調變器(Micro-Ring Modulator, MRM)達100Gbps電光轉換，並整合頻寬大於50GHz的高速光偵測器。
該團隊針對此計畫所開發之關鍵技術已取得6件美國發明專利及8件中華民國發明專利，執行計畫期間也衍生多件產學合作計畫，未來將進一步落實於產業應用，推動我國在相關領域之發展。
