國科會產學合作計畫「高速VCSEL元件設計製程與光探針測試技術轉移」，整合學界 10 年研究成果，協助台灣在資料中心高速光通訊的全球競賽中搶占競爭制高點。
產學合作研究計畫
計畫名稱：高速VCSEL元件設計製程與光探針測試技術轉移
計畫主持人：國立臺灣大學光電工程學研究所 林恭如教授
合作企業：兆勁科技股份有限公司
成果介紹：
隨著 AI、大數據與雲端服務快速成長，全球資料流量持續飆升，如何在有限能耗下提高資料傳輸速率，已成為資料中心最迫切的挑戰。光通訊技術因具備高速、低耗能等特性，成為支撐海量資料在雲端儲存與交換的關鍵，而其中扮演「核心光源」角色的多模垂直共振腔面射型雷射（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL），更是目前資料中心光網路架構的主流元件。然而，高速 VCSEL 的設計與製程門檻極高，關鍵技術長期由歐美大廠掌握，也讓臺灣產業在高速光通訊領域難以取得主導地位。
為協助臺灣突破技術瓶頸，國立臺灣大學光電工程學研究所教授林恭如、國立陽明交通大學光電工程學系教授郭浩中攜手兆勁科技，共組研發團隊，執行國科會前瞻技術產學合作計畫「高速VCSEL元件設計製程與光探針測試技術轉移」，透過學術研發量能，協助業界建立自主開發與量產高速 VCSEL 元件的能力，使臺灣不再依賴國外技術，有機會真正掌握資料中心高速光通訊的關鍵元件主導權。
克服 VCSEL 元件兩難瓶頸，2-3 個模態數與共面對稱波導電極成為主流設計概念
VCSEL 屬於高度複雜且跨領域整合的光電元件，尤其供資料中心使用的 100Gbps、200Gbps 等高速 VCSEL 元件，其腔體設計、材料堆疊、電極配置、封裝到量測的技術門檻都更為嚴苛，長期成為臺灣業界難以跨越的關鍵障礙。不過，林恭如與郭浩中兩位教授皆自 10 年前便深耕高速光通訊領域，為本次產學合作奠定了厚實的技術基礎，使研究成果得以有效導入產業端，帶領臺灣正式跨入高速 VCSEL 技術的核心門檻。
「國際學術界及通訊組織早在 10 年前就開始擘劃光通訊的發展藍圖，在這張藍圖中，VCSEL 赫然成為資料中心的關鍵元件，」林恭如回憶道，他與郭浩中兩人為此開始投入相關研究，當時，學界與業界都在探尋 VCSEL 元件在模態數與發射功率間的最佳平衡，而兩位教授是最早提出 VCSEL 元件模態數必須小於或等於 3 的概念，成為今日高速 VCSEL 元件的主流設計原則。
MM(Multi-Mode)-VCSEL代表多模 VCSEL 雷射晶片。它的特色是輸出功率較高、光斑較大，常用在需要較大光輸出的應用（如感測、光通訊某些場合）。
林恭如進一步解釋，模態數越少、發射功率越低，容易造成訊雜比（SNR）過低，進而影響位元傳輸速度並提高誤碼率，不利於長程資料傳輸。反之，若為提升發射功率而增加模態數，又有可能出現模態色散（Modal Dispersion）問題，導致訊號到達接收端時產生延遲，進而影響到功率和訊雜比。
因此，如何在維持足夠發射功率與避免模態色散間找到最佳平衡點（Trade-off），一直是高速 VCSEL 元件開發者面臨的兩難課題。而由兩位教授領軍的研究團隊，經過長時間的模擬、測試與驗證，確認「2-3 個模態數與共面對稱波導電極」是最適合的設計概念，並成為現今許多國際大廠開發高速 VCSEL 元件時的重要參考。
光子晶體 VCSEL 的結構特寫，可看到晶片表面規則排列的微小圖樣，用來控制雷射模式並提升光輸出效率。
從設計、製造到量測，打造可真正量產的高速 VCSEL 技術
如今，透過本次產學合作計畫，這些累積多年的研究成果終於能真正落地至產業現場。然而，要讓技術由實驗室成功跨入商業化階段，設計、製程與量測三者缺一不可。在元件的結構設計與製程端，由郭浩中團隊負責確認組成材料及比例、元件尺寸等參數，兆勁科技再依據這些設計進行試產，製作出來的元件再交由林恭如團隊進行高速量測分析。
林恭如率團隊自主研發的光探針測試平台，是本次產學合作計畫的另一大創新突破。他指出，包括探針台的機構設計、光耦合方式、阻抗匹配、訊號同步機制等關鍵技術，皆由團隊自行開發與調校，使平台能精準對應高速 VCSEL 元件的量測需求，而量測結果也會回饋至郭浩中團隊，據此調整後續元件結構或製程參數，進而強化下一輪試產品質。
在這樣反覆循環與產品佚代下，不僅逐步提升元件的設計與製程成熟度，使其更符合量產條件，也能大幅強化臺灣在高速 VCSEL 元件上的國際競爭力。
國科會催化技術落地，加速台灣跨入高速光通訊核心供應鏈
在這項前瞻性極高的研究中，國科會扮演了不可或缺的關鍵角色。林恭如直言，高速光通訊的量測設備成本驚人，一台可驗證 200Gbps VCSEL 元件的設備往往分成訊號產生端與接收端兩種，各約 4 千至 5 千萬元，加總之後就會破億，無論對中小企業還是學術單位來說，這都是一筆相當沉重的負擔，也成為台灣追趕高速光通訊技術時最大的瓶頸。
「這已經像是一場軍備競賽了。」林恭如坦白指出，沒有這些設備就無法驗證元件是否達標，而國科會計畫提供的補助經費，讓團隊得以升級探針傳輸線、高頻放大器等必要設備，建構完整的高速量測平台，使研究成果能夠有效銜接產業端的實際需求。
此外，國科會的投入，也促成學界、業界與政府間的良性循環：學界提供技術架構與分析能力、企業提供製程與應用環境、國科會則提供關鍵研發資源，讓高門檻的高速光通訊技術得以在臺灣真正落地。
「這不僅讓兆勁科技受益，更具明顯的產業外溢效果。」林恭如強調，臺灣原本就是全球光通訊元件的重要生產基地，若能掌握高速 VCSEL 元件的設計與製程能力，就有機會與國際頂尖廠商分庭抗禮、進入資料中心供應鏈的核心位置。
同時，產學合作也大幅提升人才培育的深度。研究生能在校期間即可接觸高頻量測設備、國際標準、探針台操作與高速訊號分析等實務工作所需的技能，畢業後便能直接投入職場，加速光電產業的人才銜接。
「光通訊是所有通訊網路的骨幹。」林恭如說，未來無論是資料中心、微波光通訊、量子通訊或 6G，都將需要更高速、更敏感的光電元件。「我們的實驗室會持續在這條路上前進，協助廠商、支援國際合作，也延續臺灣在光電領域的技術優勢。」