矽光子的发展与挑战（二）：矽光子材料性质

矽光子（silicon photonics）是指在矽基半导体中，整合入可以调制光子的光子元件，在芯片中或系统中，可以同时协作电子积体线路（Electronic IC；EIC）、光子积体线路（Photonic IC；PIC）的功能。 
 
目前已经开始量产的矽光子产品，绝大部分是用于长距离通讯的收发器（transceiver），其中包含传送／接收电／光信号以及转换、处理信息的功能元件。 

延伸报导名人讲堂：矽光子的发展与挑战 （一）：电子与光子
 现今矽光子的急迫需求与近年来人工智能应用的迅速兴起密切相关。人工智能的模型训练过程中，信息的传递大量集中于芯片与芯片之间、服务器与服务器之间。在可预测的未来，数据的传递超过7成以上会是这种短、中距离的通讯类型。数据流量和密度的骤增，产生大量焦耳热，散热遂成为半导体技术发展中最尖锐的问题。 
 
根据原先的异质整合路线图（Heterogeneous Integration Roadmap；HIR），矽光子应该在2020年就进入异质整合量产的时程。迟了近5年，现在终于要启动了。 
 
围绕在矽基半导体讨论PIC，除了矽的制程比较成熟外，自然是有矽的材料特性考量。 
 
首先，矽对在1.1~8微米的近、中红外（near to mid infrared）区域波长的光是透明的，也就是说红外光在矽中可以通行无阻，不会被吸收，这是让光子能当信息载子的先决条件。 
 
矽的另一大优势在于它的高折射率（refraction index），在近红光的波长范围内，矽的折射率大概是3.5。这意味着—譬如常用的光纤通讯波长1,550纳米的光，在矽中只有1550/3.5=443纳米的波长，光元件尺寸可以因为高折射率的原故而大幅缩小。以前述波长光子可以通行的波导（waveguide；功用有点像电子的金属线）为例，单模（single mode）的波导一般就定在220纳米（方形波导的截止波长（cut-off wavelength）是光的半波长）。 
 
矽的非线性光学效应（nonlinear optical effects）也相对的比较强，譬如在近红外区的双光子吸收（two-photon absorption；TPA）以及自由载子吸收（free carrier absorption；FCA）。非线性光学效应通常可以用来调制光线，即矽的材料特性适合做PIC的主动元件（active device）。另外，相较于其他候选材料，它的散热系数较高，比较适合做高功率光元件。 
 
矽的材料当然也有缺点。第一个缺点是矽的能带间隙不是直接能隙（direct bandgap），白话的说就是矽无法利用它的自然能隙来产生光子。所以如果要在矽晶PIC上直接做出光源，一般需要外来异质材料当成光源，譬如加入III-V族的元素以做出量子点之类的光源。 
 
另外，有一好没两好。有较活泼的光学特性也意味着光在矽中传导比较容易产生光子损失（photon loss），这也是做矽波导的主要挑战之一。 
 
幸好有兼容于矽半导体制程材料氮化矽（SiN）可以与矽互补，这是半导体业界非常熟悉的材料。氮化矽可以用化学气沈积法（CVD）长于晶圆之上，这是半导体的标准制程。 
 
氮化矽的折射率较低，在1,550纳米时只有2，所以做出的光元件肯定比较大。但是它的TPA和FCA非线性光学效应都比较小，做出来的波导光子损失也比较少。 
 
另外，氮化矽对光的透明应间自400纳米~7微米，在可见光的区间它也是透明的。这一点对有些应用至为重要，譬如生物传感器（biosensor）常常需要使用可见光波长的波段。 
 
2种材料对照来看，矽比较适合做需要比较紧致线路、高效能、高能耗的主动元件；氮化矽比较适合做光被动元件（passive device），譬如低光子损耗的波导、谐振器（resonator）、筛选器（filter），或者需要可见光波长、较低非线性光学效应的应用。 
 
另外有数种材料因为它们独特的非线性光学效应也被考虑在不同应用之中，譬如钽酸锂（lithium tantalate；LiTaO₃）它有很强的非线性光学性质如二次谐波产生（Second-Harmonic Generation；SHG）和参量振荡（parametric oscillation）。更重要的是它有很强的电光效应（electro-optic effect；Pockels effect），可以用电场快速的调制光子，在光子计算（photon computing）的应用中，此乃天选之物。