【積體光路系列十一】體積小又能整合至晶片裡的光偵測器

■光訊號轉成電訊號是目前光學通訊中不可或缺的一環,利用金屬與半導體接面製成的光偵測器有什麼優點呢?

(Graphics: KIT)
(Graphics: KIT)

撰文|方程毅

光子很可能是下個世代取代電子進行運算及資料傳輸的媒介,我們熟知的積體電路將變成積體光路。但要達成全光子運算並非一蹴可幾,在現有的科技水平下用光子逐步取代電子,並發展高效能電轉光及光轉電的元件才是務實的做法。也因此,光電轉換的元件即是現階段重要的研究對象。本篇將介紹一種新研發的光偵測器—PIPED (plasmonic internal photoemision detector)電漿子內部光發射偵測器。

在解釋PIPED這個元件之前,我們先來了解一下在光學晶片上的光偵測器須具備哪些條件。資料傳輸及運算,最重要的就是頻寬(Bandwidth),光子之所以有潛力取代電子正是因為光子能達到的頻寬比電子大,也因此將光轉成電的光偵測器頻寬便格外重要;第二是響應性(Responsivity),響應性即為光轉成電的效率,常用單位為每瓦幾安培(A/W),響應性高代表光的瓦數不用很高即可以轉成夠大的電流;第三個要素是元件大小,積體電路之所以誕生便是為了要把更多的元件放進晶片中,因此元件體積當然是越小越好。

我們曾在系列四及系列五談到波長的選擇及波長2μm的偵測器,本文介紹的光偵測器是針對傳輸波長為1550nm的光子。這個元件名稱為PIPED (plasmonic internal photoemision detector)。Plasmonic稱為電漿子,是金屬的特殊行為,金屬內部的自由電子會有一定的震盪頻率,當此震盪頻率跟入射電磁波(也就是光)共振時,金屬便會產生特殊吸收,至於吸收什麼能量的光子取決於金屬的種類、形狀及周圍環境,這些都是工程師可以進行設計的變數。internal photoemission(內部光發射)則是在金屬與半導體交界面的行為。通常金屬跟半導體會形成蕭特基接面(Schottky barrier),但外加電壓若是夠大且半導體夠薄時,電子便有機會越過能障,形成電流。

PIPED的結構如圖,藍色是基材、彩虹狀顏色的為矽,也就是光子行進的地方,黃色的兩片金屬,一邊是鈦、一邊是金。光子沿著光波導由右向左走,當金屬開始出現時,光會因為電漿子的效應而沿著金與矽的介面走,並被金吸收,被金吸收的電子再因為內部光發射,轉換成電流(如同上段所提,要產生此現象必須外加電壓,且矽夠薄)。

光學晶片主體為矽,利用矽做成的光波導就像電線導引電子一樣,因此矽本身並不會吸收光子,但光偵測器的原理卻是材料吸收光子之後轉成電子,所以必須要另外找到合適的材料,一般來說鍺(Ge)或砷化銦鎵(InGaAs)可以吸收波長為1550nm的光子,但要將這兩個材料以現有的半導體工業技術整合至矽晶片中並不容易。反之,金屬在半導體工業中是常見且製備容易的材料,只是金屬只會吸收光子,並不像其他半導體材料具備將光子轉成電子的能力。也因此,利用金屬及半導體接面電漿子的特性,讓光走在我們想要的方向上,再利用內部光發射讓蒐集來的光子轉換成電子,進而完成吸收光子轉成電子的過程。

根據實驗結果PIPED的頻寬可以達到40GHz/s、響應度0.12A/W、元件寬度在75-200nm之間,可以說相當符合光偵測器的需求。這個研究由德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology (KIT))、瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zürich)合作進行,結果發表在美國光學協會Optica期刊上。

原始論文:Muehlbrandt, S., et al. "Silicon-plasmonic internal-photoemission detector for 40 Gbit/s data reception." Optica 3.7 (2016): 741-747.

參考資料:Ultracompact Photodetector

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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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