矽光子的發展與挑戰（二）：矽光子材料性質

矽光子（silicon photonics）是指在矽基半導體中，整合入可以調制光子的光子元件，在晶片中或系統中，可以同時協作電子積體線路（Electronic IC；EIC）、光子積體線路（Photonic IC；PIC）的功能。 
 
目前已經開始量產的矽光子產品，絕大部分是用於長距離通訊的收發器（transceiver），其中包含傳送／接收電／光訊號以及轉換、處理訊息的功能元件。 

延伸報導名人講堂：矽光子的發展與挑戰 （一）：電子與光子
 現今矽光子的急迫需求與近年來人工智慧應用的迅速興起密切相關。人工智慧的模型訓練過程中，資訊的傳遞大量集中於晶片與晶片之間、伺服器與伺服器之間。在可預測的未來，資料的傳遞超過7成以上會是這種短、中距離的通訊類型。數據流量和密度的驟增，產生大量焦耳熱，散熱遂成為半導體技術發展中最尖銳的問題。 
 
根據原先的異質整合路線圖（Heterogeneous Integration Roadmap；HIR），矽光子應該在2020年就進入異質整合量產的時程。遲了近5年，現在終於要啟動了。 
 
圍繞在矽基半導體討論PIC，除了矽的製程比較成熟外，自然是有矽的材料特性考量。 
 
首先，矽對在1.1~8微米的近、中紅外（near to mid infrared）區域波長的光是透明的，也就是說紅外光在矽中可以通行無阻，不會被吸收，這是讓光子能當訊息載子的先決條件。 
 
矽的另一大優勢在於它的高折射率（refraction index），在近紅光的波長範圍內，矽的折射率大概是3.5。這意味著—譬如常用的光纖通訊波長1,550奈米的光，在矽中只有1550/3.5=443奈米的波長，光元件尺寸可以因為高折射率的原故而大幅縮小。以前述波長光子可以通行的波導（waveguide；功用有點像電子的金屬線）為例，單模（single mode）的波導一般就定在220奈米（方形波導的截止波長（cut-off wavelength）是光的半波長）。 
 
矽的非線性光學效應（nonlinear optical effects）也相對的比較強，譬如在近紅外區的雙光子吸收（two-photon absorption；TPA）以及自由載子吸收（free carrier absorption；FCA）。非線性光學效應通常可以用來調制光線，即矽的材料特性適合做PIC的主動元件（active device）。另外，相較於其他候選材料，它的散熱係數較高，比較適合做高功率光元件。 
 
矽的材料當然也有缺點。第一個缺點是矽的能帶間隙不是直接能隙（direct bandgap），白話的說就是矽無法利用它的自然能隙來產生光子。所以如果要在矽晶PIC上直接做出光源，一般需要外來異質材料當成光源，譬如加入III-V族的元素以做出量子點之類的光源。 
 
另外，有一好沒兩好。有較活潑的光學特性也意味著光在矽中傳導比較容易產生光子損失（photon loss），這也是做矽波導的主要挑戰之一。 
 
幸好有相容於矽半導體製程材料氮化矽（SiN）可以與矽互補，這是半導體業界非常熟悉的材料。氮化矽可以用化學氣沈積法（CVD）長於晶圓之上，這是半導體的標準製程。 
 
氮化矽的折射率較低，在1,550奈米時只有2，所以做出的光元件肯定比較大。但是它的TPA和FCA非線性光學效應都比較小，做出來的波導光子損失也比較少。 
 
另外，氮化矽對光的透明應間自400奈米~7微米，在可見光的區間它也是透明的。這一點對有些應用至為重要，譬如生物感測器（biosensor）常常需要使用可見光波長的波段。 
 
2種材料對照來看，矽比較適合做需要比較緊緻線路、高效能、高能耗的主動元件；氮化矽比較適合做光被動元件（passive device），譬如低光子損耗的波導、諧振器（resonator）、篩選器（filter），或者需要可見光波長、較低非線性光學效應的應用。 
 
另外有數種材料因為它們獨特的非線性光學效應也被考慮在不同應用之中，譬如鉭酸鋰（lithium tantalate；LiTaO₃）它有很強的非線性光學性質如二次諧波產生（Second-Harmonic Generation；SHG）和參量振盪（parametric oscillation）。更重要的是它有很強的電光效應（electro-optic effect；Pockels effect），可以用電場快速的調製光子，在光子計算（photon computing）的應用中，此乃天選之物。