第190期 2022年11月刊
 
最新消息與活動公告 │ 所務公告及活動花絮 │ 特別報導
教師研究成果專欄 │ 光電所博士班應屆畢業生研究成果專欄 │ 光電要聞
 
 
發行人:吳育任所長  編輯委員:曾雪峰教授  主編:林筱文  發行日期:2022.11.30
 
 

本所李君浩教授榮膺「2023 Optica(前美國光學學會, OSA)Fellow」,特此恭賀!

 

本所碩士生丁偉庭、蘇士傑同學研究團隊榮獲「IEDMS 2022 (International Electron Devices & Materials Symposium 2022) 最佳論文獎」,特此恭賀!


獲獎學生 論文名稱 指導教授

丁偉庭

(碩士生)

Design consideration and Optimization of high voltage vertical β-Ga2O3 Schottky barrier diodes with trench staircase field plate

吳肇欣

蘇士傑

(碩士生)

A record-high mobility of ~ 22 cm2/V-s in a bottom-gate SnS2 field-effect transistor by a pre-pattern process

彭隆瀚

 

本所博士生巴卡地同學榮獲「中華民國光電學會111年度莊順連教授紀念獎(原學生論文獎博士組)」、碩士生郭雨鑫同學榮獲「中華民國光電學會111年度學生論文獎碩士組」,特此恭賀!


獲獎學生 獎項/論文名稱 指導教授

巴卡地(Bhaskar Jyoti Borah)

(博士生)

莊順連教授紀念獎(原學生論文獎博士組)
開發超越尼奎斯速率的亞分鐘十億像素介觀顯微鏡以實現人腦組織的快速細胞病理學診斷

孫啟光

郭雨鑫

(碩士生)

學生論文獎碩士組
以氧化銦鎵鋅作為通道層之鐵電氧化鉿鋯薄膜電晶體之研究

陳奕君

 

本所碩士生張堯棟同學(蔡睿哲教授指導學生)、陳楷文同學(毛明華教授指導學生)參與「光電所與歐洲EMSP碩士雙學位計畫2021」,於EMSP (European Master of Science in Photonics) 修業完成並獲得以下榮譽,特此恭賀!


獲獎學生 榮譽項目 說明

張堯棟

(碩士生)

EMSP學業成績優異

畢業證書註記summa cum laude,為最高等第,EMSP當屆僅一人獲得

張堯棟

(碩士生)

EMSP Best Thesis Award

論文題目:Integration of an optical isolator in a photonic integrated circuit (PIC)-to-fiber coupling interface

陳楷文

(碩士生)

EMSP Best Thesis Award

論文題目:Colloidal Quantum Dot Based Vertical External-Cavity Surface-Emitting Laser (VECSEL)

張堯棟

(碩士生)

IMEC-AWARD

歐洲跨校際微電子研究中心(Interuniversitair Micro-Electronica Centrum VZW, IMEC)設置之碩士論文獎

 

本所蘇國棟、吳育任等教授代表本所參加電資學院隊,榮獲本校111學年度院際盃教職員工慢速壘球聯誼賽亞軍,特此恭賀!

 

本所12月份演講公告 :

 

日期 講者 講題 地點 時間
12/9 黃正民教授
Cornell University

Sub-Terahertz Devices and Test Metrology

電機二館
105演講廳
14:20~16:00
12/16 杜承翰副理
鴻海科技集團

Foxconn HPC Solution: Fueling the Future

博理館
101演講廳
14:20~16:00

 

 
 
11月份「光電所專題演講」(整理:簡璟)
時間: 111年11月11日(星期五)下午2時20分
講者: 郭嘉宏董事長(台新綜合證券股份有限公司)
講題: 我要成為銀行家!— 投行經驗分享

 

郭嘉宏董事長(左)與本所林建中教授(右)合影

 

時間: 111年11月18日(星期五)下午2時20分
講者: 沈士強處長(世界先進積體電路股份有限公司)
講題: 200 mm GaN-on-QST Technology

 

沈士強處長(左)與本所林建中教授(右)合影

 

時間: 111年11月25日(星期五)下午2時20分
講者: 丁景隆董事長(方略電子股份有限公司)
講題: 異質整合與跨域創新

 

丁景隆董事長(左)與本所林建中教授(右)合影

 

~ 光電所所屬實驗場所小型緊急應變演練 ~

(時間:111年11月24日,上午10:30~11:00)

整理:陳姿妤

演練地點:電機二館352B、354室

演練內容:

本次演練主要目的為使人員在實驗室意外災害事故發生時各司其責,採取正確而有效方式控制災害,並落實實驗室人員具備緊急逃生之觀念與方式,以提高緊急狀況時的應變能力。

上午10時30分於電機二館352B、354實驗室,假設學生進行實驗時,發生電線走火火災意外,學生緊急通報所辦公室人員。本所人員接獲通報後,即刻聯繫館舍電機系辦人員協助廣播疏散全館;並緊急分組編派人員:於出口引導疏散人員儘速遠離館舍、協助火勢控制、進行滅火、設置人員禁止進入標示、設置救護站協助受傷同學、於集合區清點確認疏散人員名單。所辦人員同時持續緊急聯繫電機二館352B實驗室負責教師(林恭如教授)、354實驗室負責教師(黃定洧教授)、所長(吳育任教授)、副所長(陳奕君教授)及本所環安衛委員(林建中教授)前往電機二館西側出口廣場前集合;由所長、環安衛委員掌握現場狀況並進行指揮調度,確核實驗室全部人員疏散完畢,順利完成此次疏散演練。

此次疏散演練加強了大家在意外發生時,能即時進行緊急通報及疏散的觀念。感謝教師、同仁及同學們的全力配合。

圖一、電機二館352B實驗室發生火災進行初步滅火

圖二、電機二館352B實驗室通報所辦人員

圖三、所辦人員接獲通報,即刻通知電機系系辦人員及相關人員

圖四、系辦人員進行館舍廣播

圖五、事發實驗室敲門告知附近實驗室人員疏散

圖六、實驗室人員進行疏散

圖七、引導人員疏散

圖八、設置人員禁止進入標示

圖九、設置救護站,協助擦傷同學救護

圖十、人員疏散至西側門集合區確核疏散人數並進行延長線使用宣導

圖十一、學生報告實驗室處理狀況

圖十二、向指揮統籌教師們報告事件處理狀況

 

 
 

~ 光電所參與歐盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 碩士雙學位計畫
系列報導 ~

【之一】

撰文:光電所碩士班 張堯棟

簡介

首先非常感謝黃升龍教授與比利時EMSP簽訂合作計畫、筱文姐幫我們承辦行政手續,以及指導教授蔡睿哲老師的鼓勵和支持,讓我有機會藉由此雙學位計畫到海外留學,並度過非常豐收的一年。本文會從出國前與剛到比利時的準備程序開始,接著是修課、研究,到日常生活,最後是就業和實習。

想參與此雙學位計畫大約在十一月左右要開始申請,其中主要的審核標準有兩個:第一個是修習六堂指定的臺大光電所內專業課程,因為比利時當地的碩士班也是兩年制,我們藉由此雙學位計畫前往修業相當是第二年的插班生,所以為了確保臺大前往的同學有同等的先備知識,有六堂課是推薦我們在臺大先修的,修過愈多門、成績愈高,EMSP審核通過的機率愈高。第二個則是英文檢定,為了確保我們前往EMSP時有能力可以在生活和課業上適應無虞,英文檢定必須通過規定門檻,可以選擇考托福或雅思,托福要超過87分,雅思則是6.5分。以我為例,我當初考的是托福,由於成績出來要一周,所以我是十月底考試,而托福至少要密集準備兩、三個月(依每個人英文程度而定),因此大約暑假就開始準備了。一般來說英文門檻相較修課還難,加上在臺大同時也有做研究的壓力,因此從碩一或是暑假一開始就準備也很推薦。

上學期達成申請條件,送審完就沒有太多事要做了。審核結果通過後,碩二下學期則要開始處理一些入學程序,一開始要先申請雙聯學位的入學,就要附上英文檢定證明、公證後的學位證明和成績單等等。申請通過後還要再上傳一次之前的英文檢定證明、學位證明、成績單以及推薦信和入學許可。當這道程序通過後就完成註冊,在四至六月時就可以進行其他行政手續,像是抽宿舍、選碩士論文題目等等。在申請雙聯學位時可以申請要去根特大學或是布魯塞爾自由大學,這兩間的主要研究領域不大相同:根特大學主要研究矽光子學以及液晶;布魯塞爾自由大學則側重於光學系統設計以及理論模擬。在選校時,除了世界排名以及研究,選擇居住城市也非常重要,畢竟這是會待一年的城市,這也是出國留學最難忘的經驗。我當時在選學校時,並沒有特別偏好的研究方向,但打聽後根特是美麗的宜居小城、治安好且有許多很棒的酒吧,去過歐洲交換的朋友跟我大力推薦後,我沒想太多就選根特了。經過這年的生活,我覺得生活體驗不同,取決於你喜歡怎樣的生活:根特的生活相對平淡一些,但生活機能還是很好的,城市景觀也非常非常美,如同在童話故事裡面,也非常安全,半夜在外面遛躂也不需要擔心。在根特生活的缺點大概是食物的選擇相對少一些,而且比利時人對食物的品味可能跟亞洲人不大相同。此外光電的校區在城市的最南邊,離市區騎車大約要20分鐘,如果要住學校附近生活相對無趣。布魯塞爾自由大學在布魯塞爾郊區,治安和布魯塞爾市中心相比好蠻多的,大眾運輸也非常方便,去哪也都很方便。社交生活跟娛樂也比根特多元(雖然在課業壓力下也很難去拓展太多社交生活...),但布魯塞爾相對龍蛇混雜,治安也不是很好,就要自己注意安全。另外根特大學是大學城,學校的校區散落在城市各處;布魯塞爾自由大學則是一個集中的校區,各有不同的感覺。

住宿部分,註冊成功後,約莫三、四月就可以登記宿舍了,若不想住宿舍,則需要自行尋找外宿地點。宿舍的優點是較便宜,一個月450歐還包水電,此外還可以認識許多國際生朋友;缺點則是不好抽,若七月結果出來抽不到的話房子會很難找。此外根特大學的學生宿舍旁邊有一條街開滿了酒吧和夜店,若對睡眠品質很敏感則不建議去住宿。外宿的話價格較高昂,而且因為戰爭的關係,電費、瓦斯費高漲,價格差距相較宿舍會差更多,但是生活品質較好,單人studio或多人合租的公寓通常裝潢都很不錯,有些還會附院子,想體驗歐式生活的人會比較推薦外宿。

到了五月底,要開始選論文題目,校方首先會寄一個PDF檔案,裡面有今年度根特大學和布魯塞爾自由大學的所有論文題目,每個題目都會附上題目說明,以及該題目需要什麼能力、需要什麼先備知識,若對題目有興趣直接連絡該題目的負責教授即可。和台灣不同的是,在台灣通常要先連絡指導教授,加入實驗室後才會得到明確的題目或計畫,在EMSP則是在聯絡教授前就會知道各題目的內容,以及可能需要做的事。寄信聯絡教授並面談後基本上都可以找到想要的論文題目,因為論文題目的數量通常遠多於學生數量,因此不用太擔心心儀的題目被搶走。

到了六月後,除了臺大的部分需要趕論文以及口試,EMSP學校方面基本上不用再處理其他手續,但要開始辦簽證了。比利時簽證要準備的文件相當繁雜,且都需要經過公證,因此建議六、七月時就要開始準備,以免來不及。此外還要向所辦申請本學期不畢業證明,因為赴比利時後還是需要有臺大的學生身分。最後各位役男記得要申請延後兵役,並且是以修習雙聯學位的身份申請,當初我一開始誤用出國讀碩博學位的身份申請,到了搭機前10天才發現有誤,差點出不去,大家務必記得要申請對的延役方式。【精彩內容,下期待續~】

根特美麗的河畔

布魯塞爾大廣場

 

撰文:光電所碩士班 陳楷文

我所看見的UGent

今年很榮幸能夠參與光電所與歐洲EMSP (European Master of Science in Photonics) 碩士雙學位計畫,前往比利時根特大學(Ghent University, UGent)就讀為期一年的碩士學位。往後的篇幅我將會從不同層面分享一年來在比利時的所見所聞,希望我的分享能夠讓讀者更進一步地認識這個計畫以及在比利時的生活。

EMSP計畫提供兩所學校供我們選擇,分別為UGent及位於布魯塞爾的Vrije Universiteit Brussel (VUB),在學術方面,UGent在全球大學排名為143名,VUB則為251名。考量到市區治安(布魯塞爾治安較不佳)及研究領域(UGent對於矽光子較為出名),我選擇了UGent作為就讀的學校。

UGent位於比利時根特(Ghent),為比利時僅次於布魯塞爾的第二大城,中世紀時,因為羊毛和亞麻產業發展蓬勃,根特成為歐洲最大的城市之一。語言部份,有趣的是比利時擁有三種官方語言:荷蘭語、法語及德語,首都布魯塞爾為法語區,根特則為荷語區。但根特市民普遍的英語能力極高,即使不會任何荷語在市區和商家溝通仍然能對答如流。

不同於台灣的大學分佈,UGent校區散落於市區中,使得根特成為一座大學城。光電與工程學院坐落於市區南邊的科學園區(Technologiepark),與市區騎單車距離約15至20分鐘。在春夏之際可以一邊騎著車一邊欣賞城市美景,但一到冬天陰雨綿綿加上不到10度的低溫,則只能選擇搭乘公車前往校區了。

今年度全球各地參與EMSP program並選擇UGent的學生因為新冠疫情影響總共只有9位同學,分別是2位比利時籍的同學,3位中國籍的同學及4位台灣來的同學。4位台灣學生中來自臺大光電所的總共有3位,另外1位則是來自中山光電的同學。即便如此,還是有相當多的機會認識來自世界各地不同的學生,例如參與學校舉辦給國際學生的活動、ESN(Erasmus Student Network)或是自己實驗室中的博班學長。

月底時學校方就有舉辦國際學生的Welcome Day,來自世界各地的同學會聚集到根特Culture centre Het Pand,聆聽國際事務處的職員分享根特的大小事、以及如何在根特度過接下來的一年,並會在會後提供餐飲讓同學交流彼此的意見。有趣的是,校方還會提供代幣(tokens),可以免費搭乘遊船、兌換薯條、啤酒等等。

ESN則是一個學生自治的組織,他們會在學期間舉辦各式各樣活動以增進國際學生間的友誼,例如各種體育活動(羽球、排球)、喝酒party。在學期初更有為期一周的Welcome week,並提供專車往返火車站及宿舍提供學生搬運行李。最值得推薦的是可以購買他們推出的ESN card,卡片售價為10歐,只要有購買他們的卡,ESN所舉辦的活動都會有折扣甚至免費。ESN card也有和歐洲廉價航空-RyanAir合作,提供四次免費20公斤托運行李,是窮遊歐洲的好幫手!【精彩內容,下期待續~】

位在Technologiepark的 iGent Building,基本上所有Photonics課程及研究室皆在這裡。

 

撰文:光電所碩士班 黃喻農

我所看見的UGent

最先要感謝的是臺大光電所的黃升龍教授和所辦筱文姐與比利時的根特大學和布魯塞爾自由大學簽訂這個EMSP雙學位計畫,讓臺大光電所的研究生們(我就是其中一位)有一個能夠出國讀書的機會。很高興在我們這一屆有另外兩位同學能夠一起出國,比起以往來說人數算是較多的一屆。我們是在2021年9月11日出國,通常學年大約從九月底到隔年九月底,而我因為學分沒有修完的緣故,必須再延後畢業一個學期。因此我在這裡想要與學弟妹們分享,趁早做好時間安排,才不會一不小心就延畢。

老實說,孤陋寡聞的我,在臺大光電所碩士班一年級聽到學長的EMSP雙學位計畫分享講座之前,我是不知道根特大學以及根特這個地方在哪裡的。聽完學長的分享後,有了一個到國外讀書的憧憬,於是就與參加相同計畫的同學一同搭著此生飛行時數最久的飛機,來到了位於比利時布魯塞爾西邊車程約30分鐘的根特市。在網路上有一句話:「比利時把布魯塞爾給歐盟,布魯日給觀光客,但把根特留給自己。」我覺得非常貼切,根特的人口大約25萬人,人口密度大約每平方公里1667人,算是生活空間舒適的一個城市。根特可以說是一個大學城,主要的大學根特大學擁有許多校區,這些校區分別散落在城市的不同地方,這一點與台灣的大學很不一樣。在市區,常常就能看到來自世界各地不同的學生在這裡生活著,是一個充滿年輕活力的城市。最令我為之驚豔的是市中心充滿中世紀風格的建築、鐘樓與教堂,可以看到人們沿著美麗的河畔坐著聊天喝酒,非常愜意。

學校為了初來乍到的我們,舉辦了國際生的歡迎會,這是辦在根特大學會議中心叫做Het Pand的地方,通常學期中不同的國際生活動也是在這裡舉辦。這個地方感覺是中世紀時期的一棟建築物,有充滿綠地的庭院,古典而樸實的屋子,再加上校方準備的buffet,可以邊吃著美食邊和學校師長、國際同學一起交流,為學期的開始留下一個美好的印象。

根特大學最主要的一個校區Campus Ufo有著一棟很明顯的現代建築物,是根特大學的圖書館,在那裡可以見到很多認真讀書、寫報告的學生。大部分的學生宿舍也在附近,而宿舍旁有一條街,街上充滿了各家酒吧,因此被稱作酒吧街,這條街隨時充斥著各種不同的味道,有噁心的嘔吐味、小便味以及酒精味等。可以想見多少學生在這裡聚會與狂歡、玩得很盡興,不論是白天或夜晚,每次經過都可以看見酒吧有人,十分有趣。

我們主要上課與實驗研究的校區則是在根特最南邊的Campus Ardoyen,那裡不只是一個校區,也同時是一個科技園區,與學校建築物相鄰有許多的科技公司,而在實驗室也能常常看到公司的人員來使用儀器,是一個產學合作相當密切、方便的地方。【精彩內容,下期待續~】

根特有名的香草河岸,許多人坐在河畔聊天喝酒。

根特大學的Ufo校區,行政與主要的圖書館都在附近,是很熱鬧的一個校園。

根特大學的會議中心,不定期舉辦活動,是個很好與其他國際生交流的機會!

根特大學Ardoyen校區的iGent大樓,光電所主要的研究室與實驗室都在這裡。

 

 
 

Enhanced Color Conversion of Colloidal Quantum Dots Located in the Hot Spot of the Surface Plasmon Coupling between InGaN/GaN Quantum Wells and Surface Ag Nanoparticles

Professor C. C. Yang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 楊志忠教授

For improving the performance of the photon color conversion from the energy of an InGaN/GaN quantum-well (QW) structure into the longer-wavelength emission of a colloidal quantum dot (QD), we insert the photoresist (PR) solution of the QD into a surface nano-hole, whose bottom face is about 10 nm higher than the top QW. The sample top surface is then cleaned for depositing Ag nanoparticles (NPs) to induce the surface plasmon (SP) coupling between the QW structure and surface Ag NPs such that the QDs inside the nano-holes are located in the region of strong electromagnetic field distribution (hot spot). In this situation, the SP coupling can enhance the Förster resonance energy transfer (FRET) from QW into QD and the QD emission efficiency for producing a stronger color conversion process. The nanoscale-cavity effect of the nano-hole structure can further strengthen the SP-coupling enhanced FRET and QD emission. Green-emitting QD (GQD) and red-emitting QD (RQD) are used for preparing three samples, including samples GQD, RQD, and GQD+RQD. Figures 1(a)-1(d) show the structure of the samples under study. Figure 2 shows the localized surface plasmon resonance behaviors in the three samples. Figure 3 shows the continuous photoluminescence (PL) spectra of the three samples demonstrating the results of color conversion enhancement.

 

Fig. 1. (a): Schematic illustration of the sample structure, which includes a surface nano-hole array located between a QW structure and surface Ag NPs and filled with the PR solution of QD. (b): Cross-sectional TEM image of the QW template showing the thickness of the capping layer at ~50.8 nm. (c) and (d): Plane-view and cross-sectional SEM images of the fabricated nano-hole array, respectively. The nano-hole depth is ~40.3 nm.


Fig. 2. Transmission spectra of the three samples after surface Ag NP deposition. The vertical dashed lines indicate the emission wavelengths of the QW, GQD, and RQD. The insert shows the SEM image of sample GQD after Ag NP deposition.

Fig. 3. Normalized continuous PL spectra of the three samples in the cases with and without SP coupling.

 

Molecular Beam Epitaxy Growth of GaAsBi on (001) GaAs

Professor Hao-Hsiung Lin's Lab

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 林浩雄教授

Doping a tiny amount of Bi in GaAs can effectively reduce the energy gap without deteriorating the crystallinity. We have used molecular beam epitaxy to grow GaAsBi epi-layer on GaAs at 300~340°C. The surface morphology shows that excess Ga flux results in Ga/Bi mixed droplets, while excess Bi flux causes Bi droplets. Only a narrow growth widow is left for a good epitaxial surface. The RSMs for (004), (115), and (224) planes all show a 450-nm-thick GaAs0.96Bi0.06 epilayer is coherently grown on the GaAs substrate. TEM lattice image shows a Λ shape area near the GaAsBi/GaAs interface. We can see that dumbbells, representing pairs of GaAs or GaBi atoms, are distorted in the area. Bi atoms could gather together along close-packed plane and form the Λ shape area, where their bonds are coherently strained. Temperature dependent photoluminescence of GaAsBi samples is shown in Fig. 4. The peaks locate in 1.1~1.2 eV showing a S-shaped behavior resulting from the localized Bi states. Albeit the luminescence bands are broad, the peak shift is very limited. These findings indicate that GaAsBi is a potential material for multi-junction solar cells and temperature insensitive light emitting devices.

 

Fig. 1. Surface morphologies of GaAs and GaAsBi grown with different Ga/Bi flux ratios. Higher ratios give Ga/Bi droplets, lower ratios give Bi droplets. The growth widow is very narrow.


Fig. 2. Reciprocal space mapping (RSM) of (004), (115), (224) planes show the coherent growth of GaAsBi on GaAs.


Fig. 3. Bright field TEM image in left panel shows a dark GaAsBi/GaAs interface. The lattice image in the right panel shows a Λ region in which the dumbbells are distorted.


Fig. 4. S-shaped temperature dependent Photoluminescence of GaAsBi samples grown with different growth conditions.

 

 

 
 

論文題目:表面和界面改質對增強光化學二氧化碳還原的影響

姓名:符芳裕   指導教授:吳志毅教授

 

摘要

金屬氧化物及金屬硫化物半導體的表面和界面改質,是提高電荷傳輸動力學和光化學轉換效率的關鍵策略,在本論文中,使用不同的改質策略來調變半導體表面性質並提出反應機制上的見解。主要內容將分為兩個部分,首先在第一部分中,無機偶極分子硫氰酸鉀(KSCN)被證實可以增強於帶有缺陷的二氧化鈦(即黑色二氧化鈦)的光催化二氧化碳還原反應以及光穩定性,結合實驗和理論模擬方法,如圖一所示,SCN 配位基的化學吸附會改變黑色二氧化鈦的表面電位和電子能帶邊緣能量,這使得太陽能燃料的產量提升2.8倍,同時,在連續反應40個小時後,其產率仍保持在88%左右,此光學反應機制的增強歸因於界面偶極子效應。第二部分,我們則利用離子交換法在二硫化錫奈米片上修飾磷酸銀量子點,如圖二顯示出最佳化的零維/二維之複合型結構,進而形成直接Z型異質結構並保持其在二氧化碳還原的機制其效果;由於帶有磷酸鹽空缺的磷酸銀具有良好的光還原特性、Z型電荷載子轉移和高效的激子解離,最佳化的零維/二維異質結構(磷酸銀/二硫化錫)顯示出高選擇性約95%二氧化碳還原為一氧化碳,產率相比於原始的磷酸銀和二硫化錫,顯著提升約3倍和47.8倍;此部分中,我們也揭示了磷酸銀/二硫化錫的異質界面特性,並提出光化學二氧化碳還原反應途徑。我們樂觀認為新穎且優秀的配位基誘發偶極子效應及直接Z型異質結構的概念,可能會在未來的太陽能燃料或光化學水分解應用中帶來重大突破。

圖一、硫氰酸鉀修飾於具有缺陷的二氧化鈦

圖二、磷酸銀量子點修飾於二硫化錫奈米片

 

 

 
 

— 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、林珈慶 —

光在奈米尺度的不對稱控制

由於次波長(subwavelength)各向異性(anisotropic)諧振器的非對稱非線性光學響應,在奈米尺度之互易性(reciprocity)被打破的情形下,可以產生指向性的圖像形成。自感無源之非互易性,與磁鐵或時間調制等方法相比具有優勢,並且可能影響古典光子學和量子光子學。

物理系統中對稱性的破壞,會對它們的反應產生根本性的影響,並以一種深刻而根本的方式改變它們的運行。有趣的是,由於奈米尺度上的非線性光-物質交互作用而導致的光不對稱控制,可以產生新的奈米光子元件的設計,例如:不對稱成像裝置和非互易性(non-reciprocal)定向濾光片。這些吸引人的光學功能,主要受到奈米光子系統的弱非互易性響應的阻礙,和設計具有增強非線性光學響應的非對稱次波長諧振器的困難。

電磁學的最新進展證明了多種打破互易性的方式,例如:材料非線性、外部磁場和時間調制介質等。儘管使用磁性是最廣泛用於打破互易性的技術,但磁鐵體積龐大、有損耗且價格昂貴,使得這種方法無法在積體奈米光子電路上實現。因此,我們需要藉由動態調制系統來實現奈米尺度非互易性。然而,使用時間調制來打破互易性在光學頻率中具有挑戰性,主要是由於其響應較弱、功率效率低和電光調制器複雜性增加。有趣的是,透過在不對稱配置中激發光學非線性效應的非互易性,是一種更具吸引力的無源技術,它的優點在於沒有任何類型的外部偏壓。雖然自感非互易結構不能在兩個或多個共存激發下用作隔離器,但它們非常適合實現光學雷達應用中脈衝信號的非互易路由、非互易性定向濾波器和光控傳輸開關,以及用於敏感光學元件的超薄保護層等,例如:不對稱限制器用於保護脈衝雷射免受有害的背向反射的損壞。非線性之非互易性系統因信號本身通過其結構傳播而產生的自偏壓,由於其相對簡單的設計和減少能量需求,使得這種調制技術更易於實施。

現在,Kruk 等人在 Nature Photonics (Nat. Photon. 16, pages 561–565, 2022)提出了一種複雜的超薄非線性介電超穎表面設計,由次波長各向異性諧振器組成,以實現非互易性不對稱生成具有極高對比範圍的可見光圖像。其所展示的奈米光子設計可以大幅提升奈米尺度的非線性光-物質交互作用,從而對產生對於光進行不對稱控制,這對古典光子學和量子光子學都有重要意義。雖然非對稱成像是主要發表的項目,但所提出的奈米光子系統可以超越光參數生成(parametric generation),並且可以在糾纏(entangled)光子對的非對稱生成,以及在激發頻率下導致有效的非互易性的非對稱自作用效應中找到應用。

本發明的各向異性次波長圓柱形諧振器設計可以實現奈米尺度的磁電耦合。當這種功能與非線性奈米結構固有的幾何不對稱性相結合時,它可以在沒有任何外部偏壓或調制的情況下,以自誘導的方式導致互易性的破壞。透過利用強光感應磁響應結合強大的磁電耦合,來設計超越電偶極(electric dipole)模式的光學交互作用的能力,可以為超越當前線性光學限制的非線性奈米級光學元件的新功能鋪路。

所展示的非對稱之非線性奈米諧振器被組裝成大規模的半透明超穎表面,由於非線性產生的光相對於紅外發射器和可見光接收器的位置反轉,導致不對稱傳輸。此外,Kruk等人超越由相同奈米諧振器組成的均勻超穎表面設計,轉向由一組不同諧振器組裝而成的非均勻超穎表面群。原則上,非線性超表面可以透過具有不同參數,包括強度、相位和偏振的諧波產生光。在 Kruk 等人的研究中,超穎表面經過優化以產生僅為不同強度的諧波,這種功能讓人想起傳統的空間光調制器,但在奈米尺度上實現。這種效應會導致向前或向後激發會產生不同圖像,這些圖像被限制在二進制強度,即對於生成的光而言,僅為打開或關閉。最後,將非線性成像超穎表面放置在基板上,為已經高度不對稱的系統引入額外的不對稱性。圓柱形諧振器的形狀也改為橢圓形截面,以便在不對稱圖像亮度的優化過程中考慮額外的幾何參數。得到的成像像素可以根據樣品照明的方向生成不同的圖像,如圖一所示。

 

圖一、具有非線性各向異性介電超穎表面的不對稱成像生成。

雖然提出的概念的想法是原創的,並且在光學設計和奈米製造方面的實施也是最先進的,但仍然存在各種限制,如果得到緩解,有望進一步改善已確認的非對稱光控制的影響。所展示的超穎表面設計的三次諧波響應中的圖像生成僅限於比波長大得多的像素尺寸。此外,生成的圖像僅限於二進制強度分辨率。如果透過每個非線性超穎表面實現幾何相位控制,則可以進一步改善與增強圖像品質。這將產生不對稱之異常光束轉向、定向全像圖生成和其他一些有趣的非線性光學功能等。所提出的超穎表面的諧波產生效率也相對較低(~10-5 範圍),需要大幅提高以實現高能效比的實際成像應用。功率的提高可能導致量子光在最低功率極限下,即單光子水平下的不對稱控制。這種量子功能另支持比當前磁光耦合更多的奇異共振的超穎表面成為可能,例如:連續體中的束縛態。此外,基於非線性和奇偶時間對稱性共存的主動非對稱系統可以進一步提高功率效率性能。最後,基於Kerr effect激發頻率互易性的破壞,這是與所提出的諧波產生不同的光學非線性過程,是在奈米尺度上實現的主要挑戰,並且可以在未來解決。然而,目前展示的巧妙的非線性超穎表面設計及其不對稱成像特性指出了實現自誘導非互易性的正確方向,預計這將導致許多實用設備利用非對稱奈米光子系統的有趣物理特性。

 

參考資料:

Christos Argyropoulos, "Asymmetric control of light at the nanoscale," Nature Photonics 16, pages 556~557 (2022)
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01045-4
DOI:s41566-022-01045-4

參考文獻:

Sergey S. Kruk, Lei Wang, Basudeb Sain, Zhaogang Dong, Joel Yang, Thomas Zentgraf and Yuri Kivshar, "Asymmetric parametric generation of images with nonlinear dielectric metasurfaces," Nature Photonics 16, pages 561~565 (2022)
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01018-7
DOI:s41566-022-01018-7

 

 
 
版權所有   國立臺灣大學電機資訊學院光電工程學研究所   https://gipo.ntu.edu.tw
歡迎轉載   但請註明出處   https://gipo.ntu.edu.tw/zh_tw/NewsLetters