國科會工程處113年度產學合作計畫優良成果

掌握光速未來：打造次世代AI資料中心的超高速「光神經」

作者: 許晉瑋 國立中央大學電機工程學系特聘教授

近年來，人工智慧(AI)的蓬勃發展，像是ChatGPT的爆紅，為科技世界掀起一波波浪潮。每當我們要求AI進行圖像辨識、語音合成或語意推理時，背後都是由資料中心內成千上萬個處理器、記憶體、和開關網路之間不斷進行的高速切換和資料傳輸所支撐。然而，要讓這些AI模型「聰明」運作，資料不只要算得快，還得傳得快。隨著運算規模爆炸成長，晶片之間的溝通效率已成為瓶頸。到目前為止，一個NVIDIA的AI機櫃中所需的資料流量已經超過全世界的乙太網路的資料量。這也使得AI機櫃所需消耗的電力相當驚人。如何有效降低AI運算時所需的超高速資料傳輸功耗，已經成為將AI電力消耗大幅下降的關鍵議題。

而要解決這個問題的關鍵之一，就是「光通訊」技術。它能用幾乎毫無損耗且輕薄窄小的光纖取代高頻損耗超級巨大而且笨重的銅軸電纜線，而在這其中，一種叫做VCSEL( Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser; 垂直共振腔面射型雷射)的元件，正是能讓巨量資料在光纖中光速奔馳且具有極低功耗的關鍵光源。

光連結中的關鍵角色：VCSEL

VCSEL是一種能夠垂直從晶片表面發出雷射光的微型雷射。它不但體積小、耗電低，而且非常適合大量生產。近年來其在資料中心和消費電子產品(如手機臉部辨識)中有著廣泛應用。和其競爭對手邊射型雷射相比，在高速操作時，其所需消耗的電力大概只有1/10，這使得VCSEL在晶片間資料高速傳輸的應用上有著得天獨厚的優勢。

而VCSEL在此領域的應用可以追朔到1980年代。圖一所示，為IBM在1989 年所提出的用光纖傳輸晶片間高速資料的架構。當時因VCSEL尚未問世，使得該架構無法實用和商品化。到了21世紀初期，VCSEL技術逐漸成熟，該架構開始蓬勃發展並在IBM超級電腦的高速資料傳輸方面找到商品化的春天。

圖一、IBM在1980 年代提出的晶片之間光連接架構示意圖 (此圖節錄自台大電機系張宏鈞教授光電電磁課程講義手稿)

但若要支援下一代800 Gbps的乙太網路或AI伺服器間的巨量資料傳輸，傳統的VCSEL面臨兩個問題：

1. 速度不夠快：到目前為止850 nm VCSEL的3-dB電-光頻寬大約只能到30 GHz，若須滿足現今AI 每通道200 Gbit/sec 的資料量，必須外加信號處理的IC，這會大幅增加AI 機櫃中的電力消耗 。
2. 封裝密度受限：目前所有的高速VCSEL 產品都是和多模光纖搭配的多模輸出VCSEL。和單模光纖相比，多模光纖的口徑大概是單模的5倍寬。這使得其在封裝時，和單模光纖相比，其單位面積的光纖密度和傳輸資料量相對較低。為了能將高速VCSEL之輸出功率高效率導入單模光纖，並增加封裝後單位面積所能傳輸的資料量，高速、單模輸出、且低耗能的VCSEL將會成為下世代AI應用的關鍵光源。

因此，中央大學許晉瑋教授團隊決定挑戰這兩個瓶頸，研發嶄新的「高速單模VCSEL」，為AI時代的資料高速公路鋪設更穩固的光軌。

突破速度的新設計

許教授團隊獨家的鋅擴散結構專利實現新穎單模VCSEL，和傳統單模VCSEL不同之處在於巧妙的使用新穎的鋅擴散發光孔徑形狀。此種幾何結構可有效縮短載子傳輸時間，並大幅提升單模VCSEL的輸出功率和操作速度。這種結構有幾個關鍵優勢：

• 高頻寬：如圖二所示，新設計讓雷射能具有高達40 GHz的3-dB頻寬響應，可支援高達106 Gbit/sec的傳輸速度。此頻寬是所有已經發表的850 nm VCSEL中最寬的。
• 高功率單模輸出：其可達到16 mW的單模輸出功率，打破現有單接面、單模VCSEL的世界紀錄。(圖三)
• 抗光學反饋干擾：即使在輸出雷射光束被反射回來的情況下，仍能保持穩定輸出，不會導致信號雜訊或崩潰。

​這些創新成果不僅被發表於光通訊頂尖國際會議OFC(光纖通訊大會)，也刊登於國際重要期刊IEEE JSTQE和Optics Express。

圖二、新世代專利「鋅擴散結構」單模VCSEL的速度表現，其達到了850 nm VCSEL世界紀錄的3-dB 頻寬(~40 GHz)。(Opt. Express vol. 33, pp. 24519-24527, 2025.)

穿越1公里的單模光纖傳輸

為了證明這項技術的實用性，團隊也與美國光纖大廠「康寧」合作，進行單模光纖傳輸測試。

如圖四所示，即使在長達1 km的單模光纖中，資料傳輸仍可保持清晰穩定且無誤碼的「眼圖」(用來觀察訊號品質的圖形)，速度可達56 Gbps。經過信號處理並改變調制波形後甚至能達到112 Gbps，顯示這款VCSEL不僅可以應用在超短距離傳輸(< 50 公尺)，並有潛力用於中距離(> 500公尺)的800 Gbps模組。相較於其他的競爭商品，例如矽晶光電模組，許教授團隊所研發的VCSEL模組可以有較低的電能消耗。

圖四、新世代單模「鋅擴散結構」VCSEL經過1 km單模光纖所量測到的56 Gbit/sec 眼圖(Opt. Express vol. 33, pp. 24519-24527, 2025.)

從實驗室走向產線

這項技術不只停留在學術研究階段，團隊已經將部分技術轉移給台灣光電公司「晶成」，進行小規模試產(圖五)。另一家公司「環隆」也協助開發模組化產品(圖六)，初步測試結果優於市面同類產品。目前晶片正進行長時間可靠度測試，已符合業界對25G VCSEL的標準，未來可望推進到56G或更高規格，甚至投入800 Gbps商用應用。

圖五、晶成半導體試量產的VCSEL晶片外觀

圖六、環隆使用中央和晶成試量產的VCSEL晶片封裝的25 Gbps模組

培育未來的光通訊人才

這項計畫也為台灣的光電人才培育帶來長遠影響。許多參與的研究生畢業後進入台積電、光通訊新創或其他頂尖企業，部分進入核心研發部門，持續推進高速光通訊技術的前沿。而整個研究成果也陸續發表於《Optics Express》、《IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology》等國際知名期刊，讓世界看見台灣在光電技術的創新實力。

對國家與產業的長遠影響

未來，AI模型訓練所需的資料流通量將以指數方式成長，而這些龐大資料的搬運，就像是資訊時代的血管。若我們的光通訊技術夠強，就能讓AI系統如虎添翼。國科會工程處產學合作計畫所補助的這項研究不僅讓國內具備自主設計高速光電元件的能力，也有機會切入全球AI基礎建設的供應鏈。這對台灣來說，不只是科研突破，更是關乎產業升級與國際競爭力的關鍵佈局。就如同百年前的電力網改變了整個世界，今日的高速光網，也將為未來AI社會建構全新的文明基礎設施。