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矽光子的发展与挑战 (三):光元件以及光路

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。

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。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。