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更新日期:109年9月25日

臺大跨國團隊突破矽光子技術 可望開啟積體光路世代

臺灣的半導體及晶片設計居世界產業的領先群地位,主要是以自然界含量第二多的矽元素,製作出先進積體奈米電路製程。不過,矽材料面臨電路尺寸與運算速度的極限,如果能用「光」來運算,將能大幅提高晶片的資料處理與傳輸速度。即矽電子領域現階段相當傑出的研究基礎,有機會進一步擴展至矽光子領域的突破創新設計。

在矽電子學領域中,關鍵是做出具有非線性,能夠用電控制電的元件,例如電晶體。同樣的,在矽光子學的領域中,用光控制光的元件,或說全光學控制元件,也是主要的關鍵。但是矽晶體本身的光學非線性效應實在太小,不足以作為有效的全光學控制應用。在科技部的支持下,國立臺灣大學物理系教授暨分子影像中心副主任朱士維教授率領的跨國團隊,成功在奈米結構上將矽的光學非線性效應提升約1萬倍,反應時間只要奈秒等級。未來有機會發展「用光控制光」的技術與元件,可望將「積體電路」發展成「積體光路」。

朱士維教授的國際合作團隊,在科技部的「優秀年輕學者計畫」、國際合作計畫及學門計畫的長期支持下,結合臺大凝態中心張之威博士、日本大阪大學光子學中心Junichi Takahara髙原淳一教授,Katsumasa Fujita藤田克昌教授,中國暨南大學李向平教授團隊,與中央研究院物理所林宮玄博士、交通大學影像與生醫光電研究所陳國平教授等共同合作。

朱士維教授研究團隊最近兩篇發表在自然科學頂尖期刊《自然通訊》Nature Communications的研究中,利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態,例如可以組成完整可見光光譜的奈米方塊,或是奈米圓盤中不放光的Anapole。加上光致熱效應,將矽的光學非線性效應提升了三到四個數量級,而且反應時間僅須奈秒等級。因此能夠對個別矽奈米粒子的散射光做將近100%的調制,實現GHz超快奈米全光學開關,並且創新地應用這樣的非線性,做出精度高達40奈米的遠場光學超解析顯微影像。不僅比起傳統的光學繞射極限高出一個數量級,更於世界上領先能在矽奈米結構上實現不需標記或染色的超解析技術。

這些研究成果提供奈米矽光學領域嶄新的研究思路及應用潛力,能夠拓展矽光子領域尖端應用,成為推動產業發展及創造科研價值發展的關鍵技術。接下來希望進一步增加矽奈米結構的非線性效應與反應速度,也將繼續研發更高解析度的材料成像技術。

刊登在《Nature Communications》第一篇: ”Giant photothermal nonlinearity in a single silicon nanostructure”

刊登在《Nature Communications》第二篇: “Anapole mediated giant photothermal nonlinearity in nanostructured silicon”

  • 團隊合照

    圖後排左至右分別是交通大學影像與生醫光電研究所陳國平教授、臺大理學院院長吳俊傑教授、科技部自然司司長羅夢凡、朱士維教授以及中央研究院物理所林宮玄博士,前排為其研究團隊。

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