台大领导的国际团队在硅光子技术获得突破性进展

台湾的半导体及晶片设计居世界产业领先地位,主要是以自然界含量第二多的硅元素制作出先进积体纳米电路制程。不过,硅材料面临电路尺寸与运算速度的极限,如果能用「光」来运算,将能大幅提高晶片数据处理与传输速度。即硅电子领域现阶段相当杰出的研究基础,有机会进一步扩展至硅光子领域的突破创新设计。

在硅电子学领域中,关键是做出具有非线性,能够用电控制电子元件,例如电晶体。同样的,在硅光子学的领域中,用光控制光元件,或说全光学控制元件,也是主要的关键。但是硅晶体本身的光学非线性效应实在太小,不足以作为有效的全光学控制应用。在科技部的支持下,国立台湾大学物理系教授暨分子影像中心副主任朱士维教授率领的跨国团队,成功在纳米结构上将硅的光学非线性效应提升约1万倍,反应时间只要纳秒级。未来有机会发展「用光控制光」的技术与元件,可望将「积体电路」发展成「积体光路」。

朱士维教授的国际合作团队,在科技部的「优秀年轻学者计划」、国际合作计划及学门计划的长期支持下,结合台大凝态中心张之威博士、日本大阪大学光子学中心Junichi Takahara髙原淳一教授,Katsumasa Fujita藤田克昌教授,中国暨南大学李向平教授团队,与中央研究院物理所林宫玄博士、交通大学影像与生医光电研究所陈国平教授等共同合作。

朱士维教授研究团队最近两篇发表在自然科学顶尖期刊《自然通讯》Nature Communications的研究中,利用硅纳米结构的特殊电磁共振模态,例如可以组成完整可见光光谱的纳米方块,或是纳米圆盘中不放光的Anapole。加上光致热效应,将硅的光学非线性效应提升了三到四个数量级,而且反应时间仅须纳秒级。因此能够对个别硅纳米粒子的散射光做将近100%的调制,实现GHz超快纳米全光学开关,并且创新地应用这样的非线性,做出精度高达40纳米的远场光学超解析显微影像。不仅比起传统的光学绕射极限高出一个数量级,更在世界上领先能在硅纳米结构上实现不需标记或染色的超解析技术。

这些研究成果提供纳米硅光学领域崭新的研究思路及应用潜力,能够拓展硅光子领域尖端应用,成为推动产业发展及创造科研价值发展的关键技术。接下来希望进一步增加硅纳米结构的非线性效应与反应速度,也将继续研发更高解析度的材料成像技术。

两篇研究论文:

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

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

台大领导的国际团队在硅光子技术获得突破性进展

图后排左至右分别是交通大学影像与生医光电研究所陈国平教授、台大理学院院长吴俊杰教授、台湾科技部自然司司长罗梦凡、朱士维教授以及中央研究院物理所林宫玄博士,前排为其研究团队。

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