【研究成果】突破鈣鈦礦雷射瓶頸 邁向全光化積體電路新里程

by Yang-Kuang Chao
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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。

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