臺大光電所所訊

第212期 2024年11月刊

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：2024.11.30

本所林清富教授研究團隊參加「第十二屆亞澳真空與表面科學國際會議（The 12^th Vacuum and Surface Sciences Conference of Asia and Australia; VASSCAA-12）」榮獲壁報佳作獎（Poster Competition Sessions Honorable Mention Award），特此恭賀！

本所孫啟光教授榮獲「第三十一屆東元獎（電機/資訊/通訊領域）」，特此恭賀！

本所林恭如教授榮膺「國科會113年度傑出特約研究員」，特此恭賀！

本所吳育任教授、姚力琪小姐、簡璟小姐代表本所參加電資學院隊，榮獲本校113學年度（75屆）全校運動會教職員工組1200公尺男女混合接力賽第二名，特此恭賀！

本所12月份演講公告：

日期	講者	講題	地點	時間
12/6	董容辰教授國立臺北科技大學光電工程系	待訂	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：

113年11月8日（星期五）下午2時20分

講者：

傅建中教授（國立清華大學微機電系統研究所）

講題：

雙光子微影技術應用於矽光與生醫領域之潛力

傅建中教授（右）與本所李翔傑教授（左）合影

Augmented Reality Display by Metalenses and Micro-LEDs

Professor Guo-Dung Su

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所蘇國棟教授

Augmented reality (AR), a technology that superimposes virtual information onto a user’s direct view of real-world scenes, is considered one of the next-generation display technologies and has been attracting considerable attention. Here, we present a flat optic AR system that synergistically integrates a polarization-independent metalens with micro lightemitting diodes (LEDs). A key component is a meticulously designed metalens with a numerical aperture of 0.25, providing a simulated focusing efficiency of approximately 76.5% at a wavelength of 532 nm. Furthermore, the laser measurement system substantiates that the fabricated metalens achieves a focusing efficiency of 70.8%. By exploiting the reversibility of light characteristics, the metalens transforms the divergent light from green micro-LEDs into a collimated beam that passes through the pupil and images on the retina. Monochromatic pixels with a size of 5×5 μm² and a pitch of 10 μm can be distinctly resolved with a power efficiency of 50%. This work illustrates the feasibility of integrating the metalens with microdisplays, realizing a high-efficiency AR device without the need for additional optical components and showcasing great potential for the development of near-eye display applications. The experimental demonstration of the AR device is shown in the figure below.

Figure (a) Experimental setup for the AR system. (b) The detailed cross-sectional schematic illustration of the components in this system. (c) Augmented image captured by the camera.

— 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、郭權鋒 —

低同調光增強光子計算

同調光對於光子計算的應用相當廣泛，例如光達（Laser Imaging Detection And Ranging , LIDAR）、長距離光通信和光學同調斷層掃描（Optical Coherence Tomography, OCT）。同調光還可用於光子計算，因為其相位一致性確保了穩定和可預測的計算結果。然而，這需要透過整合型熱相移器（thermal phase shifters）精確控制光的相位，這不僅增加了功耗，還需滿足對溫度和頻率的穩定性需求。

藉由摻鉺光纖放大器（Erbium-doped fiber amplifier, EDFA）的濾波產生低同調光，均勻分配至N個輸入通道，每個通道的振幅進行調變以形成N個輸入向量單元（如圖一）。該輸入向量接著被傳送至具有加權單元的晶片以執行矩陣計算。相比之下，同調系統需要波長多工技術，要求N個獨立的光學頻段來實現同樣的N個向量單元，並避免不必要的干擾。因此，非同調方法能夠提高平行化程度，因為在單一頻段內可以同時執行比同調系統多N倍的運算。

圖一、部分同調增強平行光子計算的概念。(a) 當使用同調光、非同調光或部分同調光源時，在單一計算單位單元格的乘法與加法操作中，隨著相位差 ∆φ 增加而產生的強度變動，Gauss(ω|ω₀,∆φ) 表示以平均值ω₀和標準差∆ω的高斯分佈。(b) 使用部分同調光進行平行光子計算的工作原理。(c) N倍的平行化增強，N為輸入向量的維度。

晶片上的加權元件可以是任何能進行振幅調變的光子元件。作者在兩種情境下展示了該方法的應用。在第一個示例中，他們使用一個含有相變材料（phase-change materials, Ge₂Sb₂Te₅和氧化銦錫堆疊）的整合電路，實現具備3 x 3張量核心的平行卷積處理。此架構能以92%的準確度對帕金森氏症患者的步態（gait）進行分類。在第二個示例中，作者實現了一個由比利時校際微電子研究中心（Inter-university Microelectronic Centre, IMEC）製作的矽基平台卷積處理器，並整合光檢測器。該處理器的運算速度最高可達每秒0.108兆次運算（TOPS），並以92.4%的準確度分類數據集（Modified National Institute of Standards and Technology database, MINST）（如圖二）。

圖二、MNIST手寫數位資料集的高速卷積處理。(a) 9×3光子電致光吸收調變器 (Electro-absorption modulator, EAM) 張量核心的照片。輸入光源為8.0 nm帶寬的部分同調光。尺度為100 µm。(b) 連接的光子EAM張量核心的模組照片，藍色框表示(a)中所示區域。(c) 使用Sobel G_x和Sobel G_y 濾波器進行數字“0”的邊緣檢測。(d)(e) 使用部分同調系統進行卷積的準確性，分別為不進行平均處理(d)和四點平均處理(e)。在(d)和(e)中共比較了100,000組預期和測量結果。插圖顯示了歸一化誤差的高斯分佈。(f) CNN架構。(g) CNN分類結果的比較。

此策略透過減少系統需求（通常包括昂貴的高性能雷射），有望實現更經濟且節能的光子計算。透過提供這些替代方案，該方案可降低光子計算架構發展時的經費支出和能耗需求。

參考資料：	Pitruzzello, G. "Low-coherence light enhances photonic computing," Nat Photon 18, 1009 (2024) https://doi.org/10.1038/s41566-024-01536-6 DOI:10.1038/s41566-024-01536-6
參考文獻：	Dong, B., Brückerhoff-Plückelmann, F., Meyer, L. et al. "Partial coherence enhances parallelized photonic computing," Nature 632, 55-62 (2024) https://doi.org/10.1038/s41586-024-07590-y DOI:10.1038/s41586-024-07590-y