撰稿 / 林品婕 (科學推展中心特約編輯)
由研究測得之結果 (a) 雷射輸出光譜；(b) 雷射輸出效率；(c) 雷射元件穩定度 顯示單晶光纖/鈣鈦礦雷射效能之突破。
臺灣半導體及晶片設計技術舉世聞名，相關基礎研究成果也不遑多讓。由國立東華大學物理系暨光電系賴建智教授領銜主導，與國立東華大學物理系馬遠榮教授、國立海洋大學光電系羅家堯教授、洛杉磯加大（UCLA）電機系劉佳名教授組成的研究團隊，首創以太陽能材料開發出低成本、極低耗能的雷射元件，未來將有機會與半導體積體電路整合，為台灣積體光學晶片帶來新的突破。
積體「光」路－IC產業下一片藍海
即使你不認識積體電路（Integrated Circuit, IC），也一定熟悉它的應用，從日常使用的智慧型手機、平板電腦，到快速發展的物聯網、人工智慧、5G等，都與IC息息相關。目前IC多是運用電子來傳輸訊號、進行運算，然而，電子傳輸速度與效能終有極限，加上綠色能源意識抬頭，相關產業與學界紛紛另闢「光」徑，轉向以能乘載頻寬更寬、傳輸速度更快的「光路」，取代電路的可能。
鈣鈦礦，便是賴建智教授團隊所相中的太陽能材料。鈣鈦礦是一種發光材料，具易合成、良好光電特性、發光效率高且可調性佳等優點，為下世代全光化積體電路發展的重要目標。然而，鈣鈦礦有許多缺點尚待克服。例如：鈣鈦礦只要接觸水與空氣（氧）就會劣化，相對不穩定；再者，使用鈣鈦礦材料的雷射元件散熱性差，僅能在低溫運作、十分耗能，且與室溫操作的全光化積體電路難以相容；加上多數鈣鈦礦雷射都仰賴昂貴的脈衝雷射驅動，雷射效能低落，若要與IC整合，成本亦十分可觀。
面對這些挑戰，賴建智教授團隊歷經兩年研究找到關鍵技術，克服上述難題。
全球首創塗佈製程，突破科學瓶頸
為整合鈣鈦礦與光纖平台，研究團隊因應光纖圓柱狀的特殊結構，以塗佈、浸潤製程，將奈米級鈣鈦礦披覆在具原子級平整表面的單晶光纖，並解開單晶光纖高導熱係數以及兼具微型共振腔等特性，非但克服鈣鈦礦散路不佳的問題，更顛覆必要脈衝雷射驅動的認知，突破科學界多年來的瓶頸，實現能室溫下極低耗能的太陽能材料雷射，達到低成本、易開發、可量產之目標。
儘管雷射體積縮小至比人類頭髮直徑還細小的單晶光纖，效能卻不減反增。研究顯示，室溫下鈣鈦礦雷射輸出轉換效率為3%，雷射元件穩定度也從以往的數分鐘到1小時提升至3.5小時。該研究成果也於今（110）年2月登上國際頂尖期刊《先進材料》（Advance Materials）。
開創先機、放眼未來
達到像半導體雷射一樣用電激發，是全光化積體電路的最終目標，該技術在研發階段的亮眼表現，是目前全球最接近電激發的研究。賴建智信心表示，未來透過調整鈣鈦礦材料的元素組成比例，便可輸出不同波段的光纖雷射，具客製化彈性，提升跨領域應用的可能性。該研究成果不僅彰顯臺灣基礎研究能量豐沛、雷射技術領先全球，更具掌握時代趨勢之遠見，滿足IC產業重視節能、微小化趨勢，加速未來積體光學晶片的發展與應用。
