全面解析矽微環型共振器與應用

過去十年，矽光子學憑藉 CMOS 製程的低成本、高整合性，成為矽光子積體電路（Photonic Integrated Circuits, PIC）領域的主流技術。矽微環型共振器作為其中的關鍵元件，以其小型化、高波長選擇性及共振場增強能力，被廣泛應用於光學生物感測、量子通訊、資料中心互連及非線性頻率轉換等領域。本文將介紹矽微環型共振器的基本理論及其在多領域的應用。

微環共振器理論

A.全通型微環共振器

全通型組態中，方向耦合器將光耦合進環形腔體，光訊號經單次環路傳輸後，其反射光的相位會發生 π + φ 的變化，φ 為單次傳輸的相位偏移。此結構可作為全通濾波器或陷波濾波器，控制輸出光的傳輸強度及相位特性。

B.加減型微環共振器

在加減型組態中，環形腔體與兩條匯流排波導耦合，光訊號同時傳遞至「透過端」與「濾波端」。此設計允許多波長訊號的選擇性耦合與傳輸，廣泛用於波長分波多工（WDM）系統中的濾波器與開關。

C.頻譜特性與損耗

微環共振器的關鍵參數包括全寬半高（FWHM）、自由光譜範圍（FSR）及品質因數（Q 值）。FWHM 描述共振峰的寬度，而 FSR 決定相鄰共振波長間的間隔。Q 值則反映光在腔體內的能量損耗情況，較高的 Q 值代表更低損耗與更尖銳的共振峰。

微環共振器的應用

A.標籤自由生物感測

矽微環型共振器可作為標籤自由（Label-Free）生物感測器，利用目標分子與腔體表面受體分子結合時引起的共振波長偏移來檢測分析物濃度。高靈敏度材料（如富氮氮化矽）進一步提升了其在光流體感測中的應用潛力，可實現高達 200 nm/RIU 的靈敏度。

B.調製器、濾波器與開關

微環共振器在高速電光調製中表現優異，透過調節共振波長，達成高效率的訊號調變。同時，其濾波與開關功能在 WDM 系統中也至關重要。雙環結構設計可進一步提高對製程變異與環境擾動的抗性，實現更穩定的波長選擇性濾波。

C.非線性與量子光子學

微環共振器的共振場增強效應提升了非線性光學過程（如自發四波混頻，SFWM）的效率，使其成為片上單光子源的重要平台。然而，高雙光子吸收（TPA）引起的自由載流子吸收（FCA）損耗，限制了其在高功率操作下的效率。透過整合 p-i-n 二極體，可減少載流子積累並改善效能。

挑戰與未來展望

雖然矽微環型共振器在小型化與高效能方面具備優勢，但高折射率對比引發的製程誤差和環境靈敏性仍是挑戰。未來需要更先進的製造技術與設計最佳化，進一步降低損耗並提升可靠性。

隨著矽光子技術的持續進步，微環共振器將在生物感測、光通訊及量子光子學中發揮越來越重要的作用。

參考資料

[1] Y. R. Bawankar and A. Singh, "Microring Resonators Based Applications in Silicon Photonics - A Review," in Proceedings of the 5th Conference on Information and Communication Technology (CICT), 2021, DOI: 10.1109/CICT53865.2020.9672427.