【積體光路系列四】波長的選擇

■積體光路與積體電路最大的不同在於光是有波長的,使用不同波長,就需要不同技術,那積體光路的波長是怎麼選擇的呢?

圖片來源:IBM
圖片來源:IBM

撰文|方程毅

用光子做資料傳輸及運算讓即將走到極限的積體電路再次復活。如何讓光路取代電路並整合進晶片中已是很多研究中心及大公司的重點項目。(請見《積體光路系列》)積體光路承襲了以矽為主的半導體製程技術,用矽做成的光波導(waveguide)傳輸光子。既然要傳輸光子,傳輸哪一個波長的光子就格外重要,因為光學元件的效率及可用度都因波長而異,決定波長,才能決定其他元件的設計及運作。積體光路依然採用矽為主要材料的原因,除了不需另外開發新製程技術外,也正是因為光學通訊使用的波長在矽裡面傳輸沒有損失,因此能沿襲既有的技術與規範。為了讓大家釐清這個概念,系列四我們就來談談光學通訊與積體光路的關係及波長的選擇。

積體光路跟光學通訊是什麼關係呢?光學通訊是利用光子傳輸資料;而積體光路是希望將其整合在晶片上進行運算。光學通訊是一個發展相當久的領域,自1980年以降,利用調變雷射光產生訊號,再利用光纖進行資料傳輸已是相當成熟且廣泛運用的技術。但傳統光學通訊是大尺度,積體光路是小尺度,希望能將光的邏輯運算縮小到晶片等級,但兩者息息相關,因此積體光路必須能整合進舊有光學通訊的規範中,使用的傳輸波長也要能互相配合。

適合作為光學通訊的波長有幾個要件:一、材料吸收低;二、散射少;三、群速度色散(group velocity dispersion, GVD)小。本篇重點將放在前兩項,群速度色散成因較複雜,在此不多做解釋以免讀者太過混亂。一般開發積體光路的相關研究主要使用1300nm附近及1500nm附近這兩個波段(不只這兩個單一波長,而是會使用這兩個波段內的一些波長)

而傳統光纖傳輸的主要波長為:850nm、1300nm及1500nm。

問題來了:

為什麼不用1400nm的光?

為什麼不用短波長的光?

為什麼不用波長更長的光?

要回答第一個問題,就要先了解材料特性,一個材料適合作為通訊及傳輸就一定要透明,也就是材料對該波長的吸收率低。以光纖來說,光纖材料是二氧化矽(也就是玻璃),二氧化矽在可見光及近紅外光波段透明無吸收,所以光纖能傳輸可見光及紅外光,但光纖使用的玻璃多少有點雜質,雜質含有OH-基,而OH-基會吸收波長1400nm左右的光,因此光學通訊才避開這個波段。

除了材料本身不吸收之外,還希望散射越小越好。散射源自於光遇到分子或雜質,有散射就有損失。一般來說波長越長的光越不容易散射(這也解釋了為什麼天空是藍色的:因為藍色波長較短,散射較大,所以進到我們眼睛),因此散射較少的紅外光比短波長的可見光更適合,事實上就連850nm也因散射損失過大只用於短距離傳輸。

而至於為什麼不使用波長更長的紅外光是因為波長越長,背景熱輻射造成的雜訊會越來越大(熱會以紅外光輻射)。

但使用1300nm的主要原因是因為1300nm群速度色散很小,而使用1500nm除了因為玻璃對這個波長損耗最小之外,也是由於光學通訊另一個元件EDFA(摻鉺光纖放大器,Erbium-doped Optical Fiber Amplifer)在這個波段工作效率最好。而真正在使用的時候1300nm跟1500nm這兩個波段都被再細分成更多子波段,在此不再多贅述

正因為使用光纖作為光學通訊發展已久,積體光路當然希望能配合使用,以方便整合。積體光路的主要材料「矽」會吸收波長短於1100nm的可見光及近紅外光,所以850nm宣告出局;對1300nm及1500nm兩個波長來說,矽是透明的,因此可以順利在光波導中傳輸。但積體光路並不只有傳送光子而已,還需要各式各樣的運算元件,包括雷射、調變器、放大器、(解)多工器及光偵測器等等,目前對積體光路元件的研究便是針對這兩個波長打造。但兩個波長畢竟有點少,若是一個波長帶一組訊號,同時有兩個波長就可以帶兩組訊號(但事實上一個波長可以攜帶多組訊號),所以可用的波長越多,攜帶的訊號就越多。因此近來有許多學者就把腦筋動到更長的波長身上,開始思考是否有機會使用2000nm甚至長到5000nm的波段,但要使用其他波長就必須針對這些波長打造合適的光學元件,因此本篇系列四了解到光波長的重要性之後,系列五我們將介紹適用波長2000nm的紅外光相關研究,敬請期待!

參考資料:

  1. New IBM Research Technology Could Enable Today's Massive Supercomputers to be Tomorrow's Tiny Computer Chips
  2. Understanding Wavelengths In Fiber Optics
  3. Why is 1550 nm the most widely used wavelength in optical communication systems?
  4. Soref, Richard A. "Mid-Infrared Photonics." In Optical Fiber Communication Conference, pp. W4A-4. Optical Society of America, 2015.
  5. Soref, Richard. "Group IV photonics: Enabling 2 [mu] m communications."Nature Photonics 9, no. 6 (2015): 358-359.

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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。

 

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