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矽光子的發展與挑戰 (三):光元件以及光路

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。

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。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。