Professor Sheng-Lung Huang's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃升龍教授

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：陳重嘉   指導教授：吳忠幟教授

論文題目：Interface Scattering of THz Coherent Acoustic Phonons

姓名：溫昱傑   指導教授：孫啟光教授

— 資料提供：影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃巖教授、陳韋仲 —

迅速進步的矽光子技術：單晶片上融合光電，光佈線走向所有產品 

「光佈線及光路」開始在基板中採用代表著通信網路新一代的進步。隨著電信號高速傳輸接近極限，光佈線及光路作為替代性技術引起關注。索尼在個人電腦上配備英特爾的光介面「Light Peak」(Light Peak是英特爾近幾年開發的光傳輸介面)，於2011年夏季在歐洲投入市場;該介面還將從2012年起在具高密度封裝要求的高性能伺服器及手機等產品上得到全面採用。未來光路的製造成本將大幅下降，光佈線有望應用到所有產品上。另外，微處理器的全局佈線等也顯示出了採用光佈線的可能性。以上這些趨勢的原動力就源於在單晶片上混載光路與電路的矽光子技術的進步。

在各種產品的基板上全面採用光佈線及光路的時期已近在眼前。目前已有部分產品開始採用:2007年底光電混載的收發器IC在全球首次投產，東京工業大學于2010年夏季建造、並在2010年秋季的「TOP500」排名中位列世界第四的超級電腦「TSUBAME2.0」就是其應用，在這臺超級電腦中，單元間進行連接即互聯的7000條光佈線收發器採用了以矽光子技術在單晶片上集成光路和電子電路的IC。個人電腦及電視機等家電產品對光佈線的配備也已開始，打頭陣的是索尼在個人電腦「VAIO Z」系列中採用了「Light Peak」，將於2011年7月底在歐洲投入市場。此外，在手機及智慧電話等身邊的終端中，內部使用光佈線的產品也有望在2012年亮相;2017年前後並有望應用於超級電腦的處理器等。

電佈線越來越接近極限

佈線方式從電佈線轉變為光佈線的可能性不斷提高，其原因在於:從耗電、設計自由度、電磁干擾（EMI）及佈線空間等方面來看，電佈線已越來越接近極限。也就是說，能夠以電佈線技術實現的產品內所需數據傳輸容量已接近極限，結果許多問題日益加重。

電佈線的極限是指，提高傳輸速度時，耗電量會急劇增加，傳輸距離變得非常短。「以前儘管電佈線存在課題，但透過技術開發都能設法突破。然而，傳輸速度超過20Gbit/秒的話就會面臨極限，即便採取對策，成本也會大幅上升。之所以需要採用光佈線，其背景就在於此。」（日立製作所中央研究所電子研究中心主管研究員辻伸二）。

耗電劇增成發展阻礙

實際上有幾項用途已處於若沒有光佈線及光路技術的話，從此可能就無法進一步發展的狀態。其中最具代表性例子的就是超級電腦，在2011年6月公佈的超級電腦「TOP500」排名中，日本理化學研究所的超級電腦「京」以超過8P（P：1015）FLOPS*的運算速度(FLOPS, floating point number operations per second＝1秒內可執行的浮點運算次數的單位)。使日本時隔7年再次位居世界第一。到2011年秋季，京的運算性能極有可能會達到10P。不過，在全球激烈競爭下，「預計2015年將出現100P級，2018年將出現1000P（Exa）級的超級電腦」（東京工業大學學術國際資訊中心教授松岡聰）。運算速度達到Exa級水準的話，「即便是晶片間的短佈線也不能再使用原來的銅佈線了，這時就不可避免地要採用將晶片的輸入輸出全部改換成光信號的技術」（松岡）。隨著耗電進一步加劇，如果在已有電佈線技術的延長線上製造Exa級超級電腦的話，2017年前後耗電量就會達到1GW左右，這相當於一座典型核電站的發電量;而通信網路的數據量照目前的趨勢擴大下去的話，2020年其耗電量就會用光目前日本的全部發電能力。

為了避免這些情況，只能全面導入光佈線及光路等，使耗電量大幅下降。要想解決這一課題，「必須進行某種技術革新。目前正在研究與晶片間的輸入輸出有關的手段，比如變更DRAM架構以及採用基於矽光子的光傳輸等…」（英特爾架構事業部首席技術官兼中央架構與規劃部門總經理龐思立（Stephen S. Pawlowski））。光佈線的優點在於，與電佈線不同，即使提高傳輸速度，傳輸線路上的損失也幾乎不會增加。

通信網路的耗電量也在加劇

在超級電腦之外也存在耗電量將成為大問題的用途。這就是通信網路。雖然其大部分已在使用光通信，但在實施IP數據包路徑控制的路由器內部卻進行著「光電或電光間的轉換」及「利用電信號進行IP數據包處理」。據NTT微系統集成研究所介紹，日本通信網路的路由器耗電量目前佔日本總耗電量的約1％。而且「仍然以5年增加10倍的速度不斷增加」（NTT微系統集成研究所網路裝置集成研究部奈米矽技術研究小組特別研究員山田浩治）。照此速度發展下去的話，5年後就會達到日本總耗電量的10％，10年後就會達到100％，屆時日本全部的電力都將被通信網耗盡。

作為解決對策，絕招就是採用光路。「將路由器內部的處理全部轉換為光處理的話，單位bit的耗電量就會降至1/100以下」（山田）。

在封裝內配備光收發元件

除了超級電腦及通信網路之外，光佈線及光路也開始在基板上配備。比如，高速伺服器的背板等使用的FPGA就是典型案例。LSI的工作頻率，尤其是晶片間的工作頻率今後將會急劇上升，到2018年前後將達到以電佈線難以實現的50GHz。未來在此用途上，晶片間及基板間的數據傳輸速度更接近100Gbit/秒，如果是普通FR4基板的話，甚至連基板內的佈線都會變得很困難。

而光佈線技術不同，收發部的耗電量等近幾年在大幅下降以及在低延遲化的推進。以佈線的性能指標「功率延遲積」比較的話，有利於光佈線的傳輸距離的極限從數年前的約10cm迅速縮短到了數個mm。這意味著，即使在晶片間佈線乃至晶片上的全局佈線，光配線也變得更為有利。這樣一來，就會為伺服器的基板內、基板間以及FPGA的輸入輸出端子等順利作好採用光佈線的準備。

美國阿爾特拉（Altera）是首家抓住這一趨勢的FPGA廠商。該公司計劃2012年供應透過在封裝內配備兩組光收發模組用光輸入輸出數據的FPGA產品。將利用光介面實現目前已成為晶片間實際傳輸極限的28Gbit/秒的數據傳輸速度。

智慧電話也將在基板中採用光佈線

光佈線及光路的採用在更貼近身邊的電子產品中也得到推進。這些產品就是智慧電話等可攜終端設備及電視機等家電。「在智慧電話的模組廠商中，有廠商將從2012年春季前後開始供應採用我們光佈線的產品」（德國Silicon Line公司日本區域經理多田敏宏）。原因之一也是基板上的數據傳輸速度急劇提高。不過，目前智慧電話等可攜終端設備的數據傳輸速度為6Gbit/秒左右，與信號的電傳輸極限尚無直接聯繫。但重要的是，「高密度封裝化的可攜終端設備隨著向高速化發展，連接液晶面板與機身的同軸細線的體積不斷增加，EMI也在增大，這些問題日趨嚴峻」（多田）。而將電佈線改為光佈線，便可解決這些問題。

英特爾推進的Light Peak也設想用細光纖以10G～100Gbit/秒的傳輸速度將電視與硬碟錄影機以及其他家電連接起來。