【積體光路系列三】要怎麼知道光在哪裏？

■光子在晶片內行走的同時，我們有沒有機會知道它們的位置呢？

撰文｜方程毅

利用光子取代電子傳遞資料或進行運算很可能是即將到來的晶片革命。同樣以矽為主要材料的積體光路可以承襲半導體工業的成功經驗，因此雖說是革命，但也是建立在相當成熟的基礎上（請參閱【積體光路系列】)。

系列三我們來談談：如何「看」到光的位置。

為什麼想看到光的位置呢？如果只是射一道光進到光波導（可以把光波導想像成電路中的電線，就是讓光走在裡面），光的位置在哪似乎不這麼重要，因為光會充滿整個光波導，但若是傳輸訊號就不是這麼回事了！

訊號是由0跟1構成，0是沒有光，1是一個很短的脈波(pulse)，脈波有多短？可以短到只有120飛秒( )。當訊號要進行運算的時候，必須精準控制脈波行進的時間與位置，否則一不小心錯過，訊號就大亂了，這也是為什麼我們希望知道脈波在特定時間點的位置，如此一來就可以針對晶片上不同元件進行檢測，看是哪出了問題。

但要怎麼看到呢？拿個超高速攝影機就可以看到光在走嗎？天底下絕對沒有這麼簡單的事，就算攝影機再高級也看不到，因為光波導只有頭跟尾有散射，中間不會有，沒有散射就看不到光。這個現象可以用光纖做類比，想像一束光射進光纖，你只會看到頭跟尾亮亮的，中間依舊透明，因為只有頭跟尾有散射光進到你的眼裡，光纖裡面發生什麼事我們是無從觀察的；如果整條光纖都可以看到光，代表這條光纖內雜質很多導致散射，不是一條好光纖。

因此必須間接觀察。本文介紹的技術叫做激發-偵測技術(pump -probe)，是在光譜分析中很常見的方法，但卻是第一次用在積體光路上。這項技術的是英國南安普頓大学(University of Southampton)的研究團隊所研發。圖一是其示意圖，這個技術需要兩束光：一束為激發光(pump)、一束為偵測光(probe)。激發光為能量較高、波長較短的紫外光（波長400nm，圖中的紫光）；偵測光則是積體光路中常用，波長為1550nm的紅外光（圖中的紅光），1550nm的紅外光其實也是我們要傳送的訊號。偵測光是一個150飛秒的脈波，走在光波導裡；激發光也是一個150飛秒的脈波，但從上面打下來，激發光的發射時間跟打到的位置是可調整的，若是能控制到在偵測光經過的時候激發光剛好打在上面，偵測光就會發生變化，進到光譜儀(spectrometer)後就可以被觀測。由於我們知道激發光發射的時間跟打到的位置，若發現偵測光有變化，代表激發光跟偵測光有相會，就可以回推當時偵測光的位置；若是偵測光沒變化就代表這兩道光沒有相會。

關於這個現象有更精確的解釋：當激發光打在光波導上時，光波導的折射率及吸收係數會瞬間發生變化，而造成偵測光經過這個區域時強度或其他物理性質改變。所以事實上不是因為激發光打到偵測光而讓偵測光發生變化，而是激發光打到光波導，光波導產生變化，再讓經過得偵測光發生變化。這項技術被命為ultrafast photomodulation spectroscopy (UPMS)，被發表在2015年Nature Photonics期刊上。UPMS厲害的地方在於不僅僅可以針對單一光波導檢測，比較複雜且能處理訊號的元件（例如：Mach–Zehnder interferometer (MZI)）也可以進行偵測。

本研究的第一作者Roman Bruck博士表示：「因為光波導局部的折射率變化，我們可以觀測光學晶片的穿透率，藉此得知光在裡面行走的整個過程。這可以讓我們針對晶片內每一個光學元件作個別檢測，在優化晶片製程中是非常關鍵的一步。也因為UPMS不會破壞元件，整個晶片在經過檢測之後依然可以使用。」

原始論文：
Bruck, Roman, Ben Mills, Benedetto Troia, David J. Thomson, Frederic Y. Gardes, Youfang Hu, Goran Z. Mashanovich, Vittorio MN Passaro, Graham T. Reed, and Otto L. Muskens. "Device-level characterization of the flow of light in integrated photonic circuits using ultrafast photomodulation spectroscopy."Nature Photonics 9, no. 1 (2015): 54-60.

參考資料：New technique to help produce next-generation photonic chips

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。