台大硅量子点全光波导调变器登国际期刊
2014-07-02 15:23:00   来源:台湾大学
内容摘要
台湾大学林恭如教授的硅量子点全光波导调变器荣登国际知名期刊—Laser and Photonics Review,该期刊在Science Citation Index Expanded内光学领域影响因子排名第二。

在高速讯号处理殷切需求,以及追赶摩尔定律预测的世代下,不论电子或光子积体元件皆趋向微小化迅速发展,而整合两者之硅积体光学(Silicon integrated optics)及全光讯号处理技术,也于近年应运蓬勃而生。

近十年内硅主被动光子元件也在积体光路中扮演著极重要角色,其中硅量子点(Silicon quantum dot)拥有类似直接能隙材料的特性,早期被运用于硅基发光元件中。近期根据Drude模拟的预测,硅量子点在红外光波段有著明显的自由载子吸收(Free carrier absorption)特性,其自由载子吸收面积较硅块材大一个数量级,预期可以超越硅波导调变器的调变效率。然而,硅量子点尺寸大小、自由载子吸收与调变速率的关系在文献上的报导并不明朗,其量子侷限效应对于载子吸收诱发调变能力的影响,是极需深入探索的课题。

研究透过光泵探量测法(架构示意图如图所示)以及速率方程式模拟,将硅量子点尺寸以及自由载子吸收面积之间的关系推算出来,并利用硅量子点光波导结构展示了全光讯号调变。根据量子侷限效应,电子电洞于硅量子点内的藕合率以及欧杰电子藕合率会随著硅量子点尺寸缩小而增加,这会使得声子辅助的自由载子吸收现象逐渐退化。

因此当硅量子点尺寸由4.3奈米缩小至1.7奈米时,自由载子吸收系数缩小,硅量子点内的等效电子电洞质量也会随变大,而自由载子吸收面积又与等效电子电洞质量成正比。然而,硅量子点内之电子电洞在动量空间的波函数中,其藕合重叠率会随著硅量子点尺寸缩小而增加,此效应反而促使硅量子点缩小时也可缩减其自由载子活期至数十奈秒。

利用埋入硅量子点的光波导调变器初步演示了全光讯号处理,透过硅量子点内自由载子吸收的特性,达到全光归零格式讯号的转换,当硅量子点尺寸缩小至1.7奈米时,其开关键(on-off keying)调变的位元率可增加至 2 Mbit/s。透过硅量子点对自由载子吸收特性的研究,对于建构硅量子点光波导调变器有更深刻的认知,该研究对于发展硅积体集成光路有著基石般的贡献。本论文已被接受发表于国际期刊Laser and Photonics Review,该期刊在Science Citation Index Expanded内光学领域影响因子排名第二,为雷射光子学领域内国际期刊之旗舰。