矽光子的發展與挑戰 （三）：光元件以及光路

光子若要能被當成訊息的載子，就至少要具備可被程式化、傳遞和感測的功能。

光元件大致可分為4個範疇：光源、波導、調制器和光子感測器（PD；Photonic detector）。
 
光源是異於電子線路的特殊存在。在電子線路中，電子是矽材中原來就富含的物質。只需要施加電壓予以控制，就可以程式化以攜帶訊息，感測電子以提取訊息也是容易的事。

但是矽在正常的狀態中並不存在光子，光子要人為製造出來—從外頭接入光源，或是在矽晶片上製造光源。
 
由外頭引入高功率、高效能的光源，常用的有譬如磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）雷射。如果要談整合入矽光子系統，磷化銦的1,310奈米和1,550奈米波長基本上是比較合適的選擇。砷化鎵的850奈米波長在矽中會被吸收，如果要整合入矽光子的PIC中，需要用氮化矽（SiN）當波導。這會增加製程的複雜性，當然也會增加光子元件的尺寸和成本。
 
可以整合入矽光子製程，或者以異質整合方式進入的光源還有雷射二極體（laser diode）、發光二極體（Light-Emitting Diode；LED）、整合III-V雷射（integrated III-V laser）、量子點雷射（quantum dot laser）等，這些對於不同的應用各有優缺點。
 
波導是被動元件一種，意即它不用外來的能量、只靠物質本身的材料特性或元件結構就能執行導引（guiding）、分離（splitting）、組合（combing）、耦合（coupling）、過濾（filtering）、復用／解復用（demultiplexing/demultiplexing）、延遲（delay）等功能，所以波導器上也多有加上能執行以上功能的光元件，譬如加上耦合器（coupler）以與光源連接。
 
光在矽波導中傳遞可能會遭遇光子損失（photon loss）的問題，主要的原因是波導內壁的粗糙（roughness）問題，這是波導製程的挑戰之一。
 
調製器的種類繁多，這是因為前文中說的光可用來程式化以承載訊息的自由度很多。
 
常見的調制器有用來調製相位（phase）和振幅（amplitude）的馬赫曾德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer；MZI）、環形諧振調制器（ring resonator modulator）、載子耗盡調制器（carrier depletion modulator）；調制振幅的電吸收調制器（Electro-Absorption Modulator；EAM）；調制相位的相位調制器（phase modulator）、熱調制器（thermal modulator）；調制波長與頻率的可調諧濾波器調制器（tunable filter modulator）等。
 
調制器基本上是主動元件，亦即需要外來的能量注入以調制光的強度（intensity）、頻率、振幅等，這些都是與能量密切相關的物理量。而且，調制的手段通常是透過電來改變物質的特性，譬如用電壓或產生熱來改變材料的折射率，進而調制光的諸種特性，這些手段都有能耗的。

最後是光子感測器它的功能是將光訊號轉為電訊號，以利於進一步處理、儲存及傳送訊號。

光子感測器的種類有光電二極體（photodiode）、雪崩光電二極體（avalanche photodiode）、光電倍增管（photomultiplier tube）、電荷耦合元件（Charge-Coupled Device；CCD）等，各有應用領域。
 
光子感測器材料包括矽、矽鍺（SiGe）以及砷化鎵銦（InGaAs）等。以目前與AI相關的矽光子應用而言，矽鍺光電二極體在波長區間、響應（responsibility）、速度和整合程度各種技術特性的綜合考量下，矽鍺光電二極體是比較合適的選擇。

光子元件範疇的複雜程度以及各範疇內元件選擇的眾多，充分顯示矽光子還處於發展的早期，這對即將展開的矽光子量産構成生產製程以外的非技術挑戰。