第174期 2021年6月刊
 
 
 
發行人:黃建璋所長  編輯委員:曾雪峰教授  主編:林筱文  發行日期:2021.06.30
 
 
5月份「光電所專題演講」(整理:姚力琪)
時間: 110年5月7日(星期五)下午2時20分
講者: 孫慶成講座教授(國立中央大學光電科學與工程系)
講題: 光學新視界
 

孫慶成教授(中)與本所所長黃建璋教授(右)、李翔傑教授(左)合影

 

因應嚴重特殊傳染性肺炎疫情警戒提升,自5月中旬起本所大型演講皆改為線上演說,各場次演講資訊如下:
 
時間: 110年5月14日(星期五)下午2時20分
講者: 蔡富吉執行長(澔心科技股份有限公司)
講題: 從半導體、光學跨界到醫療最後進入智能照護領域歷程分享
 
6月份「光電所專題演講」(整理:姚力琪)
時間: 110年6月11日(星期五)下午2時20分
講者: 翁逸君副處長(瑞鼎科技股份有限公司)
講題: 擁抱瑞鼎 展望未來
 
 

Ultracompact Silicon Waveguide Bends Designed Using a Particle Swarm Optimization Algorithm

Professor Ding-Wei Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃定洧教授

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

臺灣大學光電所 吳肇欣教授

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.

 

     
 
 
論文題目:有機金屬氣相磊晶氮化合物緩衝層及深紫外光與綠光波段光電特性之開發研究

姓名:劉宗諺   指導教授:管傑雄教授

 

摘要

磊晶為半導體光電元件不可或缺的技術。目前在高效率氮化銦鎵藍、綠光雷射二極體磊晶工藝上,需要好的氮化鎵基板,但因在高溫下氮的飽和蒸汽壓很高,現今的拉單晶技術無法做到。故現今皆是使用HVPE-權衡下之獨立式氮化鎵基板(Free-Standing GaN substrate)。本研究發現在使用此基板下做氮化鎵MOCVD同質磊晶時,因氮化鎵基板殘存的應力及材料品質,為了尋找低缺陷密度、熱力學穩定的氮化鎵磊晶層,我們發現磊晶的成長速率對此表面的品質影響頗大,在相同成長溫度下以較高的成長速率可以提昇氮化鎵磊晶品質以及更好表面的型態。第二部分在氮化鋁鎵 (AlGaN)異質接面磊晶中,我們克服了與AlGaN深紫外光發光二極體磊晶相關的幾個關鍵生長問題。在氮化鋁 (AlN)表面微米厚的AlGaN層中觀察到不規則的錯位聚集以及火山口深坑形貌。在AlGaN層和AlN層之間插入超晶格過渡層如圖一後,應力誘導的形貌和缺陷得到抑制,而主動區的缺陷發光是由於三族空缺相關的氧淺施主和深受主的輻射複合控制的,在優化生長條件和减少生長中斷後,藍光波段的寄生發光强度被抑制了95%。最後,在氮化銦鎵研究中提出了全新的思維,追求可得到高成分銦且高品質的InGaN最理想的解決方案,為了得到高成分的銦而犧牲材料中最重要之主動層的磊晶品質,無法真正達到元件的理想特性。長久以來一直研究如何突破高In成分的InGaN只能低溫成長的宿命,就磊晶技術而言成長溫度越高,原子的移動長度(migration length)更大,就更有機會找到可以使電子鍵結後能量降的更低的鍵結位置,可以得到更好的磊晶品質。我們提出可使氮化銦鎵材料去蕪補菁的淬火技術,在磊晶成長InGaN之後,我們升高反應腔溫度並通入銦前驅物,把In-N的弱鍵加速趕走的同時,藉由In-N的再鍵結,可在更高的溫度下維持高銦成分及更好品質的的氮化銦鎵。

圖一、超晶格過渡層結構

圖二、高銦成分綠光量子井結構


 
 

— 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、卓真禾 —

時間反轉超輻射帶來的超吸收

1954年,羅伯特·迪克(Robert Dicke)發表了他在協同輻射(cooperative emission)方面的開創性工作,為後來成為量子光學史上一種標誌性效應的基礎奠定了基礎,這種效應被稱為超輻射或超螢光[1] [2]。迪克(Dicke)表明,密集的原子集合可以比單獨的原子更快地發射光子。超輻射的核心是原子之間的相關性,這些原子將其各個偶極矩給定方向對齊以形成一個巨大的偶極矩。有趣的是,許多原子之間的這種相關性不僅可以透過這些原子的初始製備方式從外部施加,而且還可以僅透過從激發態的衰變過程以產生自感應。然而,不管其起源如何,與N個成比例的不相關原子的集合體相比,N個這樣的相關偶極矩的集體有序排列使它們以與N2成正比的增強速率輻射。這種“超輻射”本身不僅是眾多理論和實驗研究的主題,而且還導致了新概念的發展,例如超輻射雷射[3]和用於量子通訊協議的新型高效光子檢索方案[4]。

一個有趣的問題是,超輻射的過程及其令人興奮的特徵是否也不能夠時間反轉。由於與時間反轉相反的發射是吸收,因此人們期望以這種方式找到一種大大增強光子吸收或“超吸收”的過程[5]。考慮到吸收在自然界(例如:光的收集)和人工技術(例如:對於數據傳輸中的接收器)都扮演重要角色的事實,在許多不同的情況下,這種協同過程可以作為使吸收效率最大化的關鍵工具。雖然量子力學的時間反轉對稱性,表明時間反轉超輻射是一個物理允許的過程,但其實際實現並非如此簡單。這是因為原本應該超快吸收光子的原子相關態也有輻射的趨勢,同時,透過光子的超輻射引爆已經存儲在其中的能量。如理論提議[5]所建議,可以透過在原子之間引入其他交互作用來克服這種趨勢,使輻射過程,與吸收過程相比,變得非共振從而受到抑制。然而,到目前為止,這種躍遷速率工程所需的量子控制數量卻使其實驗尚未能實現。

楊(Yang)等人[6]在《自然光子學》中提出的一項新實驗工作,透過不同的策略運用光子場與原子之間的相位關係,以實現整個超輻射過程所需的時間反轉。在他們的工作中,作者準備了處於超輻射狀態的原子,所有偶極矩都沿著布洛赫(Bloch)球面的赤道(圖一a)上的相同方向排列,並使其通過腔體。

圖一、腔體中的超吸收。(a)具有對準偶極矩的原子集合,在腔體內形成超輻射/超吸收狀態。(b)腔體中的光子被穿過的原子吸收(從楊(Yang)等人[6]中提出的曲線)。在常規的基態吸收中,原子態從布洛赫(Bloch)球面的南極移開,並且集體的偶極矩僅緩慢建立。在更快的超吸收過程中,超吸收狀態從集體偶極矩最大的赤道向上移動。

不出所料,如果腔體內不存在任何場,那麼巨型偶極矩會向下旋轉至布洛赫(Bloch)球的南極,同時釋放出光子的超輻射爆發,從而釋放能量。發射光子場的相位由巨型偶極矩的初始方向決定,楊(Yang)等人在他們的實驗中利用這種關係完全顛倒了超輻射發射過程。與發射的超輻射脈衝相比,透過在腔體內準備一個具有相反相位的同調場,作者迫使通常會從赤道向下衰減的超輻射狀態朝著北極稍微向上移動,同時吸收了相位轉動腔體場(請參見圖一b中的右插圖)。

布洛赫(Bloch)球面上的偶極矩向量的運動讓人聯想到遊戲場上兒童盪鞦韆的運動。當您將鞦韆一直移動到其剛性支撐桿水平對齊的位置時,透過將其所有位能轉換為動能(對應於超輻射),當您釋放鞦韆時,鞦韆將快速衰減。但是,如果不釋放它,而是給鞦韆附加了向上的推動力,則鞦韆將通過向上移動來吸收此推動力的能量,超過其水平方向(對應於超吸收)。但是,您可能會問到,這種超吸收過程有什麼特別之處。用鞦韆粗略地比喻,很容易理解,推力在鞦韆的水平位置最迅速地轉換為位能。為了進行比較,請考慮一下,當鞦韆處於靜止狀態並垂直垂下時:這裡的鞦韆需要從其初始位置起更大的位移才能將推力完全轉換為位能,從而使吸收過程變慢。將鞦韆的位能和動能分別轉換為原子偶極矩和腔體光子中存儲的能量,可以讓我們預期,布洛赫(Bloch)球赤道上偶極矩態的光子吸收也比原子在他們的基態原本吸收快得多。實際上,在所討論的實驗中證實了這個預測(圖一b)。更具體地說,在給定的時間內,被赤道上的超吸收態吸收的光子數與原子數呈二次方增長,從而證明了這種吸收過程“超”的特性。

同調在吸收中的重要性早已為人所知,並已在文獻[7]-[9]中進行了廣泛討論,楊(Yang)等人的實驗也是如此。代表了在控制良好的量子光學設置中作為迪克(Dicke)超輻射的時間反轉模擬的超吸收的第一個實現。儘管直接應用(例如在光收集中)似乎超出了所提出的設置範圍,但超吸收為該方向的未來研究提供了令人興奮的前景。過渡到無腔體設置對於在弱信號檢測[10],量子記憶體或其他量子光-物質界面[11]中的應用可能是一個有趣的觀點。

 

參考資料:

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

參考文獻:

[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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