矽光子的发展与挑战 （三）：光元件以及光路

光子若要能被当成信息的载子，就至少要具备可被程序化、传递和传感的功能。

光元件大致可分为4个范畴：光源、波导、调制器和光子传感器（PD；Photonic detector）。
 
光源是异于电子线路的特殊存在。在电子线路中，电子是矽材中原来就富含的物质。只需要施加电压予以控制，就可以程序化以携带信息，传感电子以提取信息也是容易的事。

但是矽在正常的状态中并不存在光子，光子要人为制造出来—从外头接入光源，或是在矽芯片上制造光源。
 
由外头引入高功率、高效能的光源，常用的有譬如磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）雷射。如果要谈整合入矽光子系统，磷化铟的1,310纳米和1,550纳米波长基本上是比较合适的选择。砷化镓的850纳米波长在矽中会被吸收，如果要整合入矽光子的PIC中，需要用氮化矽（SiN）当波导。这会增加制程的复杂性，当然也会增加光子元件的尺寸和成本。
 
可以整合入矽光子制程，或者以异质整合方式进入的光源还有雷射二极管（laser diode）、发光二极管（Light-Emitting Diode；LED）、整合III-V雷射（integrated III-V laser）、量子点雷射（quantum dot laser）等，这些对于不同的应用各有优缺点。
 
波导是被动元件一种，意即它不用外来的能量、只靠物质本身的材料特性或元件结构就能执行导引（guiding）、分离（splitting）、组合（combing）、耦合（coupling）、过滤（filtering）、复用／解复用（demultiplexing/demultiplexing）、延迟（delay）等功能，所以波导器上也多有加上能执行以上功能的光元件，譬如加上耦合器（coupler）以与光源连接。
 
光在矽波导中传递可能会遭遇光子损失（photon loss）的问题，主要的原因是波导内壁的粗糙（roughness）问题，这是波导制程的挑战之一。
 
调制器的种类繁多，这是因为前文中说的光可用来程序化以承载信息的自由度很多。
 
常见的调制器有用来调制相位（phase）和振幅（amplitude）的马赫曾德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer；MZI）、环形谐振调制器（ring resonator modulator）、载子耗尽调制器（carrier depletion modulator）；调制振幅的电吸收调制器（Electro-Absorption Modulator；EAM）；调制相位的相位调制器（phase modulator）、热调制器（thermal modulator）；调制波长与频率的可调谐滤波器调制器（tunable filter modulator）等。
 
调制器基本上是主动元件，亦即需要外来的能量注入以调制光的强度（intensity）、频率、振幅等，这些都是与能量密切相关的物理量。而且，调制的手段通常是透过电来改变物质的特性，譬如用电压或产生热来改变材料的折射率，进而调制光的诸种特性，这些手段都有能耗的。

最后是光子传感器它的功能是将光信号转为电信号，以利于进一步处理、储存及传送信号。

光子传感器的种类有光电二极管（photodiode）、雪崩光电二极管（avalanche photodiode）、光电倍增管（photomultiplier tube）、电荷耦合元件（Charge-Coupled Device；CCD）等，各有应用领域。
 
光子传感器材料包括矽、矽锗（SiGe）以及砷化镓铟（InGaAs）等。以目前与AI相关的矽光子应用而言，矽锗光电二极管在波长区间、响应（responsibility）、速度和整合程度各种技术特性的综合考量下，矽锗光电二极管是比较合适的选择。

光子元件范畴的复杂程度以及各范畴内元件选择的众多，充分显示矽光子还处于发展的早期，这对即将展开的矽光子量産构成生产制程以外的非技术挑战。