第174期 2021年6月刊
 
 
 
发行人:黄建璋所长  编辑委员:曾雪峰教授  主编:林筱文  发行日期:2021.06.30
 
 
5月份「光电所专题演讲」(整理:姚力琪)
时间: 2021年5月7日(星期五)下午2时20分
讲者: 孙庆成讲座教授(国立中央大学光电科学与工程系)
讲题: 光学新视界
 

孙庆成教授(中)与本所所长黄建璋教授(右)、李翔杰教授(左)合影

 

因应严重特殊传染性肺炎疫情警戒提升,自5月中旬起本所大型演讲皆改为在线演说,各场次演讲信息如下:
 
时间: 2021年5月14日(星期五)下午2时20分
讲者: 蔡富吉执行长(澔心科技股份有限公司)
讲题: 从半导体、光学跨界到医疗最后进入智能照护领域历程分享
 
6月份「光电所专题演讲」(整理:姚力琪)
时间: 2021年6月11日(星期五)下午2时20分
讲者: 翁逸君副处长(瑞鼎科技股份有限公司)
讲题: 拥抱瑞鼎 展望未来
 
 

Ultracompact Silicon Waveguide Bends Designed Using a Particle Swarm Optimization Algorithm

Professor Ding-Wei Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 黄定洧教授

In this study, the trajectory of a 90° bend is divided into two symmetric halves that are mirror images of each other as referenced to the symmetry axis at 45°, and each half is segmented into small curved sections (Fig. 1). The bending radius and waveguide width for every section are parameters to be determined using a particle swarm optimization algorithm. The optimization is performed to maximize the transmission of the waveguide bends, which is calculated by using the three-dimensional finite-difference time-domain technique (Figs. 2 and 3). The results indicate that the total bending loss of the optimized 90° bends with radii of 2, 3, 4, and 5 μm are 0.0106, 0.0051, 0.0025, and 0.0023 dB, respectively, at the wavelength λ = 1550 nm (Fig. 4). In addition, the optimal devices are fabrication tolerant, with fabrication errors in width and height within 10 nm, and less wavelength-dependent compared with circular bends.

Fig. 1 Schematic for the design method of a waveguide bend.

Fig. 2. Width versus length of the normalized light path S of the optimal design.

Fig. 3. Curvature versus length of the normalized light path S of the optimal design.

Fig. 4. Spectral response of the bending loss of circular and optimal waveguide bends for λ = 1500 – 1600 nm.

 

Analytical Modeling of Tunnel-Junction Transistor Lasers

Professor Chao-Hsin Wu

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 吴肇欣教授

Compared with transistor lasers (TLs), tunnel-junction transistor lasers (TJTLs) are more easily modulated with the voltage across base-collector (BC) junction. In this work, we develop the charge-control model and modified rate equation of TJTLs which includes the Franz-Keldysh effect and direct tunneling. Then, we discuss the effects of the collector-doping concentration and the quantum well position on the performance of TJTL. The capability of the voltage modulation and the optical power are the conflict factors while designing the doping concentration since the heavy doping increases both the junction field and bias-sensitive F-K absorption (Fig. 1(a), Fig. 1(b)). Moreover, the bandwidth decreases when doping concentration increases due to stronger absorption and lower photon density (Fig. 1(c)). For the QW position, we need to find out the optimal position that we can get the best optical confinement to reach the maximum optical output. The result shows that the QW closer to the BC junction can obtain a higher confinement factor to achieve better output power and modulation bandwidth (Fig. 2). Therefore, for the design of TJTLs, the collector-doping concentration and the quantum well position need to be considered to a precise degree to achieve good capability of the voltage modulation with enough output power and bandwidth. [This work has been accepted by IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics]

Fig. 1. (a) The L-I family curves (b) The L-V family curves (c) Bandwidths of the different frequency responses of the TJTL with different doping concentrations.

Fig. 2. (a) The L-I family curves (b) The L-V family curves (c) Bandwidths of the different frequency responses of the TJTL with different positions of the QW.

 

     
 
 
论文题目:有机金属气相磊晶氮化合物缓冲层及深紫外光与绿光波段光电特性之开发研究

姓名:刘宗谚   指导教授:管杰雄教授

 

摘要

磊晶为半导体光电组件不可或缺的技术。目前在高效率氮化铟镓蓝、绿光激光二极管磊晶工艺上,需要好的氮化镓基板,但因在高温下氮的饱和蒸汽压很高,现今的拉单晶技术无法做到。故现今皆是使用HVPE-权衡下之独立式氮化镓基板(Free-Standing GaN substrate)。本研究发现在使用此基板下做氮化镓MOCVD同质磊晶时,因氮化镓基板残存的应力及材料质量,为了寻找低缺陷密度、热力学稳定的氮化镓磊晶层,我们发现磊晶的成长速率对此表面的质量影响颇大,在相同成长温度下以较高的成长速率可以提升氮化镓磊晶质量以及更好表面的型态。第二部分在氮化铝镓 (AlGaN)异质接面磊晶中,我们克服了与AlGaN深紫外光发光二极管磊晶相关的几个关键生长问题。在氮化铝 (AlN)表面微米厚的AlGaN层中观察到不规则的错位聚集以及火山口深坑形貌。在AlGaN层和AlN层之间插入超晶格过渡层如图一后,应力诱导的形貌和缺陷得到抑制,而主动区的缺陷发光是由于三族空缺相关的氧浅施主和深受主的辐射复合控制的,在优化生长条件和减少生长中断后,蓝光波段的寄生发光强度被抑制了95%。最后,在氮化铟镓研究中提出了全新的思维,追求可得到高成分铟且高质量的InGaN最理想的解决方案,为了得到高成分的铟而牺牲材料中最重要之主动层的磊晶质量,无法真正达到组件的理想特性。长久以来一直研究如何突破高In成分的InGaN只能低温成长的宿命,就磊晶技术而言成长温度越高,原子的移动长度(migration length)更大,就更有机会找到可以使电子键结后能量降的更低的键结位置,可以得到更好的磊晶质量。我们提出可使氮化铟镓材料去芜补菁的淬火技术,在磊晶成长InGaN之后,我们升高反应腔温度并通入铟前驱物,把In-N的弱键加速赶走的同时,藉由In-N的再键结,可在更高的温度下维持高铟成分及更好质量的的氮化铟镓。

图一、超晶格过渡层结构

图二、高铟成分绿光量子井结构


 
 

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

— 整理:林晃岩教授、卓真禾 —

时间反转超辐射带来的超吸收

1954年,罗伯特·迪克(Robert Dicke)发表了他在协同辐射(cooperative emission)方面的开创性工作,为后来成为量子光学史上一种标志性效应的基础奠定了基础,这种效应被称为超辐射或超荧光[1] [2]。迪克(Dicke)表明,密集的原子集合可以比单独的原子更快地发射光子。超辐射的核心是原子之间的相关性,这些原子将其各个偶极矩给定方向对齐以形成一个巨大的偶极矩。有趣的是,许多原子之间的这种相关性不仅可以透过这些原子的初始制备方式从外部施加,而且还可以仅透过从激发态的衰变过程以产生自感应。然而,不管其起源如何,与N个成比例的不相关原子的集合体相比,N个这样的相关偶极矩的集体有序排列使它们以与N2成正比的增强速率辐射。这种“超辐射”本身不仅是众多理论和实验研究的主题,而且还导致了新概念的发展,例如超辐射激光[3]和用于量子通讯协议的新型高效光子检索方案[4]。

一个有趣的问题是,超辐射的过程及其令人兴奋的特征是否也不能够时间反转。由于与时间反转相反的发射是吸收,因此人们期望以这种方式找到一种大大增强光子吸收或“超吸收”的过程[5]。考虑到吸收在自然界(例如:光的收集)和人工技术(例如:对于数据传输中的接收器)都扮演重要角色的事实,在许多不同的情况下,这种协同过程可以作为使吸收效率最大化的关键工具。虽然量子力学的时间反转对称性,表明时间反转超辐射是一个物理允许的过程,但其实际实现并非如此简单。这是因为原本应该超快吸收光子的原子相关态也有辐射的趋势,同时,透过光子的超辐射引爆已经存储在其中的能量。如理论提议[5]所建议,可以透过在原子之间引入其它交互作用来克服这种趋势,使辐射过程,与吸收过程相比,变得非共振从而受到抑制。然而,到目前为止,这种跃迁速率工程所需的量子控制数量却使其实验尚未能实现。

杨(Yang)等人[6]在《自然光子学》中提出的一项新实验工作,透过不同的策略运用光子场与原子之间的相位关系,以实现整个超辐射过程所需的时间反转。在他们的工作中,作者准备了处于超辐射状态的原子,所有偶极矩都沿着布洛赫(Bloch)球面的赤道(图一a)上的相同方向排列,并使其通过腔体。

图一、腔体中的超吸收。(a)具有对准偶极矩的原子集合,在腔体内形成超辐射/超吸收状态。(b)腔体中的光子被穿过的原子吸收(从杨(Yang)等人[6]中提出的曲线)。在常规的基态吸收中,原子态从布洛赫(Bloch)球面的南极移开,并且集体的偶极矩仅缓慢建立。在更快的超吸收过程中,超吸收状态从集体偶极矩最大的赤道向上移动。

不出所料,如果腔体内不存在任何场,那么巨型偶极矩会向下旋转至布洛赫(Bloch)球的南极,同时释放出光子的超辐射爆发,从而释放能量。发射光子场的相位由巨型偶极矩的初始方向决定,杨(Yang)等人在他们的实验中利用这种关系完全颠倒了超辐射发射过程。与发射的超辐射脉冲相比,透过在腔体内准备一个具有相反相位的同调场,作者迫使通常会从赤道向下衰减的超辐射状态朝着北极稍微向上移动,同时吸收了相位转动腔体场(请参见图一b中的右插图)。

布洛赫(Bloch)球面上的偶极矩向量的运动让人联想到游戏场上儿童荡秋千的运动。当您将秋千一直移动到其刚性支撑杆水平对齐的位置时,透过将其所有位能转换为动能(对应于超辐射),当您释放秋千时,秋千将快速衰减。但是,如果不释放它,而是给秋千附加了向上的推动力,则秋千将通过向上移动来吸收此推动力的能量,超过其水平方向(对应于超吸收)。但是,您可能会问到,这种超吸收过程有什么特别之处。用秋千粗略地比喻,很容易理解,推力在秋千的水平位置最迅速地转换为位能。为了进行比较,请考虑一下,当秋千处于静止状态并垂直垂下时:这里的秋千需要从其初始位置起更大的位移才能将推力完全转换为位能,从而使吸收过程变慢。将秋千的位能和动能分别转换为原子偶极矩和腔体光子中存储的能量,可以让我们预期,布洛赫(Bloch)球赤道上偶极矩态的光子吸收也比原子在他们的基态原本吸收快得多。实际上,在所讨论的实验中证实了这个预测(图一b)。更具体地说,在给定的时间内,被赤道上的超吸收态吸收的光子数与原子数呈二次方增长,从而证明了这种吸收过程“超”的特性。

同调在吸收中的重要性早已为人所知,并已在文献[7]-[9]中进行了广泛讨论,杨(Yang)等人的实验也是如此。代表了在控制良好的量子光学设置中作为迪克(Dicke)超辐射的时间反转模拟的超吸收的第一个实现。尽管直接应用(例如在光收集中)似乎超出了所提出的设置范围,但超吸收为该方向的未来研究提供了令人兴奋的前景。过渡到无腔体设置对于在弱信号检测[10],量子内存或其它量子光-物质界面[11]中的应用可能是一个有趣的观点。

 

参考资料

Matthias Zens & Stefan Rotter, “Superabsorption by time-reversing superradiance,” Nature Photonics volume 15, 251–252(2021)

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00785-z

DOI:s41566-021-00785-z

参考文献:

[1] Dicke, R. H. Phys. Rev. 93, 99–110 (1954).

[2] Gross, M. & Haroche, S. Phys. Rep. 93, 301–396 (1982).

[3] Bohnet, J. G. et al. Nature 484, 78–81 (2012).

[4] Kuzmich, A. et al. Nature 423, 731–734 (2003).

[5] Higgins, K. D. B. et al. Nat. Commun. 5, 4705 (2014).

[6] Yang, D. et al. Nat. Photon. https://doi.org/10.1038/s41566-021- 00770-6 (2021).

[7] Engel, G. S. et al. Nature 446, 782–786 (2007).

[8] Romero, E., Novoderezhkin, V. I. & van Grondelle, R. Nature 543, 355–365 (2017).

[9] Pichler, K. et al. Nature 567, 351–355 (2019).

[10] Konstantinos, G. & Sargent, E. H. Nat. Nanotechnol. 5, 391–400 (2010).

[11] Hammerer, K., Sørensen, A. S. & Polzik, E. S. Rev. Mod. Phys. 82, 1041–1093 (2010).

 
       
       
 
 
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