【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……

圖片來源:Wu, Q., Turpin, J. P., & Werner, D. H. (2012). Integrated photonic systems based on transformation optics enabled gradient index devices. Light: Science & Applications, 1(11), e38.
圖片來源:Wu, Q., Turpin, J. P., & Werner, D. H. (2012). Integrated photonic systems based on transformation optics enabled gradient index devices. Light: Science & Applications, 1(11), e38.

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。

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:

  1. Soref, Richard. "Group IV photonics: Enabling 2 [mu] m communications."Nature Photonics 9, no. 6 (2015): 358-359.
  2. Soref, Richard A. "Mid-Infrared Photonics." In Optical Fiber Communication Conference, pp. W4A-4. Optical Society of America, 2015.
  3. Infrared detector to free up Internet of tomorrow
  4. 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。

 

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