【積體光路系列七】光學調變器

■一個運算晶片最重要的就是資料傳輸,光學晶片要乘載訊號必須要先把電訊號轉成光訊號,但這要如何辦到呢?

圖片來源:Gardes, Frederic, Goran Mashanovich, and Graham Reed. "Evolution of optical modulation in silicon-on-insulator devices." SPIE Newsroom, Dec 27 (2007).
圖片來源:Gardes, Frederic, Goran Mashanovich, and Graham Reed. "Evolution of optical modulation in silicon-on-insulator devices." SPIE Newsroom, Dec 27 (2007).

撰文|方程毅

在進入今天主題之前,我們先來解釋電訊號跟光訊號是如何對應。假設現在有一束光過來,總共5秒那麼長,目前尚未攜帶任何訊號,但如果我們對這束光進行「調變」(modulate)讓其第一秒有光、第二秒沒光、第三、四秒有光,第五秒又沒光,就可以形成一組「10110」的訊號。以光學來說,有光是1、沒光是0;以電學來說有電流(外加偏壓)是1、沒有電流(無外加偏壓)是0。所以必須有一個光學元件能夠讓兩者互相對應(或是相反),這就是光學調變器(optical modulator)的功用。

恩,這是什麼廢話?所有光源不都是這樣嗎?有電壓就亮,沒電壓就暗,為什麼需要調變器?

這是因為一個晶片可能要處理非常多組訊號,總不能因為訊號多就放幾百個光源進來,這樣一個晶片要消耗的能量會無比巨大,因此我們需要的是不主動發光但能乘載光束的被動元件,而不是自己會發光的主動元件。

積體光路使用矽晶圓為基材,因此光學調變器的主要材料最好是矽,如此一來就可以順利整合進半導體製程中。矽由於折射率(3.4)比空氣大(1),所以就像光纖一般可以讓光走在裡面,這樣的結構稱為光波導(waveguide),光沿著光波導走,我們就能控制訊號要走的方向。

在了解這些基本背景之後,我們就來介紹一種光學調變器:馬赫-陳爾德干涉儀(Mach–Zehnder interferometer)。干涉原理大家中學都學過,兩個頻率相同的波,同相位疊加形成建設性干涉;相位相差180度疊加就形成破壞性干涉。光具有波的性質,因此也可以進行干涉,將兩束光干涉後若是建設性干涉則輸出訊號為1,破壞性干涉則輸出0。

馬赫-陳爾德干涉儀工作原理如圖所示,一束未經調變的光入射之後被一分為二,分別走進兩個等長的光波導裡,因為來自同一束光,所以可以保證這兩束光頻率及相位都相同,也就是說如果沒有任何特殊處理,再結合的時候就會是建設性干涉,輸出訊號為1。

如果我們對其中一支光波導施加偏壓,能讓該波導裡的相位延遲180度,兩束光再結合的時候就會形成破壞性干涉,輸出訊號便為0。如此一來我們就可以藉由對其中一隻光波導輸入一組偏壓訊號而調變光束,訊號也就從電轉成光了。

這個機制的原理是:當我們對矽外加偏壓時會改變矽內部的電荷濃度,電荷濃度的改變會讓矽折射率產生變化,矽的折射率產生變化就會讓光在矽裡面的速度改變,由於速度改變就會讓相位跟另外一支沒有外加偏壓的光不同,透過控制偏壓的大小及設計光波導長度便可以控制相位變化,也就能順利將電訊號轉成光訊號了。

這個折射率隨外加電壓而改變的現象是電光效應(Electro-optic effect)的一種,而Richard Soref及Brian Bennett兩人在1987年利用實驗將這個現象量化,提出一個實驗公式,至今仍被廣泛應用。

一般來說一個好的光學調變器要具備以下特點:速度快、能量消耗小、調變深度佳(modulation depth)。速度快是指能夠在一定的時間內傳輸越多的資料量,我們一開始舉的例子是五秒五個位元,但真正元件一秒可不只是幾十萬上下,可能一秒內要0、1變換上百萬次,因此元件在0跟1之間轉換的速度就必須夠快才行;再者,能量消耗小是一定要的,每一次0跟1的轉換都必須消耗能量,現代通訊技術發達,資料量非常龐大,如不仔細控制每個位元消耗的能量,這些晶片是不會有任何競爭力的;而調變深度佳是指0跟1的對比明顯與否,雖然建設性干涉跟破壞性干涉看似很好分辨,但影響調變深度的不只干涉一個因素,還包括材料損耗、熱擾動等等因素,所以元件輸出的0跟1差距要能夠被辨認,否則損耗太大,1的強度已經快要接近0就完全分辨不出來了。

馬赫-陳爾德干涉儀只是光學調變器的其中一種,另外還有依靠光學共振腔共振波長改變或是改變材料吸收能力而進行調變等等,將來哪一種會成為主流也都還是未定數,但無論無何光學調變器都將會是積體光路重要的研究議題之一。

參考資料:

  1. Reed, Graham T., G. Mashanovich, F. Y. Gardes, and D. J. Thomson. "Silicon optical modulators." Nature photonics 4, no. 8 (2010): 518-526.
  2. Reed, Graham T., and CE Jason Png. "Silicon optical modulators." Materials Today 8, no. 1 (2005): 40-50.
  3. Soref, Richard A., and Brian R. Bennett. "Electrooptical effects in silicon."Quantum Electronics, IEEE Journal of 23, no. 1 (1987): 123-129.

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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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