林恭如教授矽量子點全光波導調變器榮登Laser and Photonics Review

在高速訊號處理殷切需求，以及追趕摩爾定律預測的世代下，不論電子或光子積體元件皆趨向微小化迅速發展，而整合兩者之矽積體光學(Silicon integrated optics)及全光訊號處理技術，也於近年應運蓬勃而生。

近十年內矽主被動光子元件也在積體光路中扮演著極重要角色，其中矽量子點(Silicon quantum dot)擁有類似直接能隙材料的特性，早期被運用於矽基發光元件中。近期根據Drude模擬的預測，矽量子點在紅外光波段有著明顯的自由載子吸收(Free carrier absorption)特性，其自由載子吸收面積較矽塊材大一個數量級，預期可以超越矽波導調變器的調變效率。然而，矽量子點尺寸大小、自由載子吸收與調變速率的關係在文獻上的報導並不明朗，其量子侷限效應對於載子吸收誘發調變能力的影響，是極需深入探索的課題。

研究透過光泵探量測法(架構示意圖如圖所示)以及速率方程式模擬，將矽量子點尺寸以及自由載子吸收面積之間的關係推算出來，並利用矽量子點光波導結構展示了全光訊號調變。根據量子侷限效應，電子電洞於矽量子點內的耦合率以及歐傑電子耦合率會隨著矽量子點尺寸縮小而增加，這會使得聲子輔助的自由載子吸收現象逐漸退化。

因此當矽量子點尺寸由4.3奈米縮小至1.7奈米時，自由載子吸收係數縮小，矽量子點內的等效電子電洞質量也會隨變大，而自由載子吸收面積又與等效電子電洞質量成正比。然而，矽量子點內之電子電洞在動量空間的波函數中，其耦合重疊率會隨著矽量子點尺寸縮小而增加，此效應反而促使矽量子點縮小時也可縮減其自由載子活期至數十奈秒。

利用埋入矽量子點的光波導調變器初步演示了全光訊號處理，透過矽量子點內自由載子吸收的特性，達到全光歸零格式訊號的轉換，當矽量子點尺寸縮小至1.7奈米時，其開關鍵(on-off keying)調變的位元率可增加至 2 Mbit/s。透過矽量子點對自由載子吸收特性的研究，對於建構矽量子點光波導調變器有更深刻的認知，該研究對於發展矽積體集成光路有著基石般的貢獻。本論文已被接受發表於國際期刊Laser and Photonics Review，該期刊在Science Citation Index Expanded內光學領域影響因子排名第二，為雷射光子學領域內國際期刊之旗艦。