Professor Sheng-Lung Huang's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 黄升龙教授

The ultra-broadband nature of transition-metal-doped materials is eminently suitable for applications, such as petabit-bandwidth telecommunications and cellular-resolution optical coherence tomography. Various Cr⁴⁺:Y₃Al₅O₁₂ (Cr⁴⁺:YAG) lasers in bulk-crystal forms have been realized, yet poor thermal loading was identified as one of the key factors currently limiting the laser performance. This renders bulk forms difficult to implement as efficient, compact, and affordable laser systems. Recently, a double-clad architecture grown by the codrawing laser-heated pedestal growth (CDLHPG) technique was successfully developed for broadband light source and amplifier applications. The fiber based waveguide geometry features a high pump intensity and a better heat dissipation, resulting in a low-threshold Cr⁴⁺:YAG laser.

We report a significant advancement in the performance of a compact, efficient, low-threshold, and continuous-wave (CW) Cr⁴⁺:YAG double-clad crystal fiber (DCF) laser grown by the CDLHPG technique. To our knowledge the optical-to-optical slope efficiency of 33.9% is the highest ever reported for Cr⁴⁺:YAG laser at room temperature (RT) with just air cooling. This efficiency improvement was achieved by incorporating a strain-free Cr⁴⁺:YAG DCF. The strain-free feature also mitigates the photobleaching effect in Cr⁴⁺:YAG. Additionally, a self-selected linear polarized output (>100:1) was attained by simply adopting the orientated Cr⁴⁺:YAG gain medium without introducing any intracavity polarization-dependent components. The impact of crystal orientation on laser polarization and the slight pump-induced laser depolarization are also addressed.

Figure 1 shows the CW RT Cr⁴⁺:YAG DCF laser output power versus the incident pump power. The lasing threshold P_th was 78.2 mW with an optical-to-optical slope efficiency η_s up to 33.9%. The laser was operated at RT by just air cooling. The laser performance agrees well with the four-level Cr⁴⁺:YAG DCF model. By taking advantage of the strain-released crystalline core, the extracted best-fit values of emission cross section and fluorescence lifetime were improved significantly compared to that of strained core.

In conclusion, a Cr⁴⁺:YAG DCF laser with a 33.9% optical-to-optical slope efficiency and a 78.2-mW threshold is demonstrated. This achievement was obtained by reducing the distorted Cr⁴⁺ tetrahedron via strain relief and photobleaching mitigation. Realization of low-threshold lasing with high slope efficiency at RT for broadband gain medium at near infrared wavelength range represents a major step towards an affordable, compact, and efficient active device for applications ranging from telecommunications to biomedical applications.

姓名：陈重嘉   指导教授：吴忠帜教授

论文题目：Interface Scattering of THz Coherent Acoustic Phonons

姓名：温昱杰   指导教授：孙启光教授

— 数据提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、陈韦仲 —

迅速进步的硅光子技术：单芯片上融合光电，光布线走向所有产品 

「光布线及光路」开始在基板中采用代表着通信网路新一代的进步。随着电信号高速传输接近极限，光布线及光路作为替代性技术引起关注。索尼在个人计算机上配备英特尔的光接口「Light Peak」(Light Peak是英特尔近几年开发的光传输接口)，于2011年夏季在欧洲投入市场;该接口还将从2012年起在具高密度封装要求的高性能服务器及手机等产品上得到全面采用。未来光路的制造成本将大幅下降，光布线有望应用到所有产品上。另外，微处理器的全局布线等也显示出了采用光布线的可能性。以上这些趋势的原动力就源于在单芯片上混载光路与电路的硅光子技术的进步。

在各种产品的基板上全面采用光布线及光路的时期已近在眼前。目前已有部分产品开始采用:2007年底光电混载的收发器IC在全球首次投产，东京工业大学于2010年夏季建造、并在2010年秋季的「TOP500」排名中位列世界第四的超级计算机「TSUBAME2.0」就是其应用，在这台超级计算机中，单元间进行连接即互联的7000条光布线收发器采用了以硅光子技术在单芯片上集成光路和电子电路的IC。个人计算机及电视机等家电产品对光布线的配备也已开始，打头阵的是索尼在个人计算机「VAIO Z」系列中采用了「Light Peak」，将于2011年7月底在欧洲投入市场。此外，在手机及智能电话等身边的终端中，内部使用光布线的产品也有望在2012年亮相;2017年前后并有望应用于超级计算机的处理器等。

电布线越来越接近极限

布线方式从电布线转变为光布线的可能性不断提高，其原因在于:从耗电、设计自由度、电磁干扰（EMI）及布线空间等方面来看，电布线已越来越接近极限。也就是说，能够以电布线技术实现的产品内所需数据传输容量已接近极限，结果许多问题日益加重。

电布线的极限是指，提高传输速度时，耗电量会急剧增加，传输距离变得非常短。「以前尽管电布线存在课题，但透过技术开发都能设法突破。然而，传输速度超过20Gbit/秒的话就会面临极限，即便采取对策，成本也会大幅上升。之所以需要采用光布线，其背景就在于此。」（日立制作所中央研究所电子研究中心主管研究员辻伸二）。

耗电剧增成发展阻碍

实际上有几项用途已处于若没有光布线及光路技术的话，从此可能就无法进一步发展的状态。其中最具代表性例子的就是超级计算机，在2011年6月公布的超级计算机「TOP500」排名中，日本理化学研究所的超级计算机「京」以超过8P（P：1015）FLOPS*的运算速度(FLOPS, floating point number operations per second＝1秒内可执行的浮点运算次数的单位)。使日本时隔7年再次位居世界第一。到2011年秋季，京的运算性能极有可能会达到10P。不过，在全球激烈竞争下，「预计2015年将出现100P级，2018年将出现1000P（Exa）级的超级计算机」（东京工业大学学术国际信息中心教授松冈聪）。运算速度达到Exa级水平的话，「即便是芯片间的短布线也不能再使用原来的铜布线了，这时就不可避免地要采用将芯片的输入输出全部改换成光信号的技术」（松冈）。随着耗电进一步加剧，如果在已有电布线技术的延长线上制造Exa级超级计算机的话，2017年前后耗电量就会达到1GW左右，这相当于一座典型核电站的发电量;而通信网路的数据量照目前的趋势扩大下去的话，2020年其耗电量就会用光目前日本的全部发电能力。

为了避免这些情况，只能全面导入光布线及光路等，使耗电量大幅下降。要想解决这一课题，「必须进行某种技术革新。目前正在研究与芯片间的输入输出有关的手段，比如变更DRAM架构以及采用基于硅光子的光传输等…」（英特尔架构事业部首席技术官兼中央架构与规划部门总经理庞思立（Stephen S. Pawlowski））。光布线的优点在于，与电布线不同，即使提高传输速度，传输线路上的损失也几乎不会增加。

通信网路的耗电量也在加剧

在超级计算机之外也存在耗电量将成为大问题的用途。这就是通信网路。虽然其大部分已在使用光通信，但在实施IP数据包路径控制的路由器内部却进行着「光电或电光间的转换」及「利用电信号进行IP数据包处理」。据NTT微系统集成研究所介绍，日本通信网路的路由器耗电量目前占日本总耗电量的约1％。而且「仍然以5年增加10倍的速度不断增加」（NTT微系统集成研究所网络装置集成研究部奈米硅技术研究小组特别研究员山田浩治）。照此速度发展下去的话，5年后就会达到日本总耗电量的10％，10年后就会达到100％，届时日本全部的电力都将被通信网耗尽。

作为解决对策，绝招就是采用光路。「将路由器内部的处理全部转换为光处理的话，单位bit的耗电量就会降至1/100以下」（山田）。

在封装内配备光收发组件

除了超级计算机及通信网路之外，光布线及光路也开始在基板上配备。比如，高速服务器的背板等使用的FPGA就是典型案例。LSI的工作频率，尤其是芯片间的工作频率今后将会急剧上升，到2018年前后将达到以电布线难以实现的50GHz。未来在此用途上，芯片间及基板间的数据传输速度更接近100Gbit/秒，如果是普通FR4基板的话，甚至连基板内的布线都会变得很困难。

而光布线技术不同，收发部的耗电量等近几年在大幅下降以及在低延迟化的推进。以布线的性能指针「功率延迟积」比较的话，有利于光布线的传输距离的极限从数年前的约10cm迅速缩短到了数个mm。这意味着，即使在芯片间布线乃至芯片上的全局布线，光配线也变得更为有利。这样一来，就会为服务器的基板内、基板间以及FPGA的输入输出端子等顺利作好采用光布线的准备。

美国阿尔特拉（Altera）是首家抓住这一趋势的FPGA厂商。该公司计划2012年供应透过在封装内配备两组光收发模块用光输入输出数据的FPGA产品。将利用光接口实现目前已成为芯片间实际传输极限的28Gbit/秒的数据传输速度。

智能电话也将在基板中采用光布线

光布线及光路的采用在更贴近身边的电子产品中也得到推进。这些产品就是智能电话等可携终端设备及电视机等家电。「在智能电话的模块厂商中，有厂商将从2012年春季前后开始供应采用我们光布线的产品」（德国Silicon Line公司日本区域经理多田敏宏）。原因之一也是基板上的数据传输速度急剧提高。不过，目前智能电话等可携终端设备的数据传输速度为6Gbit/秒左右，与信号的电传输极限尚无直接联系。但重要的是，「高密度封装化的可携终端设备随着向高速化发展，连接液晶面板与机身的同轴细线的体积不断增加，EMI也在增大，这些问题日趋严峻」（多田）。而将电布线改为光布线，便可解决这些问题。

英特尔推进的Light Peak也设想用细光纤以10G～100Gbit/秒的传输速度将电视与硬盘录像机以及其它家电连接起来。