【積體光路系列五】適用於波長2μm光偵測器
■在光學通訊中開發新波長就等於開發新的通道(channel)，但舊有的材料鍺卻無法適用……
撰文｜方程毅
在光學通訊與積體光路中，無論訊號傳輸及運算再怎麼順利，最後總要有個元件接收光子，這便是光偵測器的角色。光偵測器能夠把光訊號轉成電訊號，電訊號再進行下一步分析處理（除非哪一天科技進步到電腦也能直接用光子進行運算，到時候就不是電腦而是光腦了）。既然光偵測器扮演如此重要的角色，就必須具備以下幾個特性：第一、感應能力要夠好，也就是說必須要能偵測到低強度的光；第二、速度要夠快，也就是每秒能接收並且能清楚分辨的位元數要越多越好，否則就算晶片運算再快速，接收光子的光偵測器速度跟不上也沒用；第三、製程必須配合原有的半導體工業，否則另外開發新的製程技術將提高成本。
在系列四我們提到了波長的選擇，在目前技術較為成熟的兩個波段1300nm及1500nm都有速度夠快的光偵測器，其材料是跟矽同為四族的鍺(Ge)；但文中同時也提到：如果能開發出其他波長，便能攜帶更多訊號，其中波長為2μm的紅外光便是其中一個候選人。要開發一個新的波長，就必須開發出跟這個波長對應的光學元件，有些對1300nm或1500nm適用的元件可以經過一些調整之後拿來2μm使用。但光偵測器卻不行，因為在1300nm或1500nm使用的鍺，波長最長只能接受到1850nm，因此波長2μm的光對鍺是透明的，完全無法收到光子。
雖然鍺沒辦法使用，但適用於2μm左右的光偵測器早已有其他相關技術，例如使用鍺錫合金也可以接收這個波段，但是速度卻不夠快；另一項技術是利用三五族半導體為主要材料，但三五族半導體不容易整合進矽製程裡。
來自加拿大麥克馬斯特大學(McMaster University)的Andrew Knights教授便希望用矽本身來做為光偵測器，但矽這個材料對波長2μm的光也是透明的。要讓矽能夠接收這波段的光子，Andrew Knights教授使用的方法是引入缺陷，這些缺陷在矽的能隙(band gap)中間產生缺陷態(defect state)，便可以讓矽吸收波長1.96到2.5 μm的光子，要引入缺陷對於半導體工業來說並不件難事，只要使用離子佈植 (ion implantation) 即可，離子佈植是利用很強的電場將帶電離子加速之後硬打進材料內部，所謂的n-型半導體或p-型半導體也是這樣做出來的，是個相當成熟的技術。植入離子後的矽光偵測器不僅可以吸收波長1.96到2.5 μm的光子，還有另一項優點就是速度快，根據Andrew Knights教授的量測，偵測速度可以到20Gbit/s，目前世界上適用於2μm左右的光偵測器還沒有人能夠達到這種速度，對於急需增加資料傳輸速率的光學通訊工業來說極為重要。但有一好就沒兩好，這個光偵測器收光能力非常弱，也就是響應率(responsivity)很低，不過不像光偵測器的速度，速度慢是沒救的，但偵測能力弱卻有辦法補救，可以仰賴放大器先將訊號放大，再送進光偵測器就收的到，適用於這個波段的放大器(參銩光纖放大器，TDFA,thulium-doped fiber amplifier)已被開發出來了，因此彌補了這個光偵測器的弱點。這項研究也被發表在2015 Nature Photonics期刊上。
兼具速度快及製程容易兩項優點也就是這項研究會受到重視的原因。Andrew Knights教授也表示這兩項優點是2μm波段的重要突破。
這項技術的發明無疑是光學通訊的一大福音，因為根據思科(CISCO)的統計，全球網路的流量自2008年到2013年已經增加5倍，用光學取代電學的需求也越來越急迫，因此能多開通可用的波長對於增加資料傳輸的流量有極大的幫助。Andrew Knights教授表示目前靠現有的技術尚能承載網路流量，因此這個光偵測器目前還派不上用場。但是未雨綢繆先將相關技術開發出來，有一天我們需要的時候就可以直接使用了。
(p.s. 身為讀者的你看完系列四、五，心中或許會有個疑問：不是說波長太長，背景熱輻射的雜訊對玻璃光纖會太大嗎？
是的，完全正確，因此針對2μm其實有另一種光纖稱作hollow-core photonic-bandgap fibres，咱們有空再說吧！)
原始論文：Ackert, Jason J., David J. Thomson, Li Shen, Anna C. Peacock, Paul E. Jessop, Graham T. Reed, Goran Z. Mashanovich, and Andrew P. Knights. "High-speed detection at two micrometres with monolithic silicon photodiodes."Nature Photonics 9, no. 6 (2015): 393-396.
參考資料：
- Soref, Richard. "Group IV photonics: Enabling 2 [mu] m communications."Nature Photonics 9, no. 6 (2015): 358-359.
- Soref, Richard A. "Mid-Infrared Photonics." In Optical Fiber Communication Conference, pp. W4A-4. Optical Society of America, 2015.
- Infrared detector to free up Internet of tomorrow
- Liu, Zhixin, Yong Chen, Zhihong Li, Brian Kelly, Richard Phelan, John O’Carroll, Tom Bradley et al. "High-Capacity Directly Modulated Optical Transmitter for 2-μm Spectral Region." Journal of Lightwave Technology 33, no. 7 (2015): 1373-1379.
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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。
