矽光子學(Silicon Photonics)的目標是發展出可操縱光訊號、奈米等級的積體化晶片，將無數個光學元件整合於其上，能夠像現在我們在晶片上操縱電一般的操控光。為了能將整個光學系統整合在一片半導體的晶片上，奈米等級的矽光子電路正持續在發展，而立即可見的應用就是取代現今逐漸面臨瓶頸的銅導線I/O連結。
在IC晶片中，為了尋求運算速度的提升，不斷縮小元件尺寸，相對地系統電路就越來越複雜，使得金屬線連結因為電阻與電容產生之延遲（RC delay）更加顯著，操作速度也因此有所限制。同時傳輸的失真及損耗問題也因此益發嚴重。而相較於電子，光子沒有電荷與質量，不容易受外界干擾，也有較低的傳輸損耗及功率消耗，因此為了持續追求更高的運算速度，利用光連結（Optical interconnect）來取代電連結，而將光學元件與積體電路整合形成OEIC（opto-electronic integrated circuits）便成為積體光學（Integrated Photonics）研究的主流。其中矽光子學提供了較低成本的方法，也因此成為許多團隊積極研究的主題。
矽光元件具有頻寬大、損耗低的特性，能夠提供很高的調變速率，因此傳輸量相當大，足以應付高速運算的需求。而利用光的分波長多工技術來進行多通道傳輸，更能進一步提升平行處理的速率，所以就能大量增加架構內的晶片數和晶片內的核心數。而晶片內傳遞光訊號的波導對光的侷限，使得元件的面積能夠大幅縮小，有利於積體化整合，而且提供了操控光訊號的新方法。此外，其材料為相對便宜的矽，且元件製造利用現今製作IC的CMOS製程，因此開闢了未來光路與電路的整合。
未來的3D整合式晶片，將由許多互相連結的層狀結構組成:下層是一個擁有數百顆核心的處理器，其上則是記憶體層，提供快速的快取(cache)通道。最上層則是擁有數以千計光學元件(雷射、調變器、接收器、開關等)的積體光路和其餘的類比電子元件。此類光電層的角色，除了提供核心之間以及晶片外大頻寬的通訊，還能利用光開關陣列來指揮光路交錯的訊號通過。最終形成全功能的單晶片。
矽光子學的研究為劃時代的高速運算系統奠定了基礎。將光學元件與電子元件整合在矽晶片上，並利用CMOS製程大量製造，即將吹響電腦運算革命的號角。
Artist’ concept of 3D silicon processor chip with optical IO layer featuring on-chip nanophotonic network
相關文獻及工作可以由以下之網頁連結獲得
IBM's page on silicon integrated nanophotonics
http://domino.research.ibm.com/comm/research_projects.nsf/pages/photonics.index.html
Intel's page on silicon photonics
http://techresearch.intel.com/articles/Tera-Scale/1419.htm
資料來源:NCTU 交通大學
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