本所林清富教授研究团队（林清富教授、邱浩菘博士生、蔡志远博士生）和中正大学叶志庭副教授研究团队合作之全彩Micro-LED显示器技术，参加国际信息显示学会中华民国总会（SID）举办2025 I-Zone全国创新智能显示专区竞赛，荣获联咏科技奖，特此恭贺！

本所5月份演讲公告：

『Zwitterionic Membranes and Biomedical Applications』

～ 高效能运算及高速传输研讨会（High-Performance Computing and High-Speed Interconnect Workshop）花絮报导 ～

（时间：2025年3月11日；地点：台湾大学博理馆101演讲厅、电机二馆105演讲厅）

花絮整理：杨淞普、张智翔、李翊纶

AI与高效能运算时代来临，为促进技术交流与产业发展，本所黄建璋教授举办「高效能运算及高速传输研讨会」，探讨高效能计算、数据中心网络架构及未来发展趋势议题。共吸引250位业界及投资界的人士报名参加。

本次论坛非常荣幸能邀请伊利诺大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC）的Prof. Milton Feng及Prof. John Dallesasse两位知名学者莅临并给予演讲。两位教授的分享主题为次微米孔径氧化型垂直共振腔面射型激光（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）相关研究成果以及未来展望。

UIUC教授Milton Feng的演讲聚焦于VCSEL（垂直腔面发射激光）在低温环境下的高速光学连结，展示了Cryo-VCSEL技术在超导运算、低温光互连与新世代数据中心的潜力，为高速光通讯领域带来突破性的发展。研究团队的核心目标是发展微共振腔激光技术，以实现每比特能耗低于10 fJ的高效能光学网络。氧化型VCSEL因其低功耗、高速调变能力及适合大规模部署的优势，已成为资料中心短距离光传输的主要技术。在技术突破方面，团队成功开发了一种0.9 μm孔径的氧化型VCSEL，并在极低温（3 K）环境下展示了112 Gbps PAM-4的光学传输，达成创纪录的46 fJ/bit低能量消耗。此外，透过优化共振腔与增益接口，Cryo-VCSEL在2.9 K、4 mA驱动条件下实现了136 Gbps PAM-4数据传输，并首次展示了2.6 K下的半导体激光。研究还发现，在4 K至80 K范围内，Cryo-VCSEL的频宽增强超过50 GHz，这与量子井中的电子-电洞重组生命周期的快腔物理特性密切相关。此外，随着资料中心流量需求的指数增长，从2016年的25 Gbps NRZ技术发展到2022年的112 Gbps PAM-4，预计2025年将提升至224 Gbps，2028年可达448 Gbps，这项VCSEL技术可望成为未来低温超导运算环境与量子运算中的关键光学互连技术。此外，研究团队透过COMSOL仿真建立3D热模型，验证热积累如何影响VCSEL的调变频宽。实验数据显示，在低温（4 K）条件下，自发复合寿命减少了五倍，使电子-电洞复合速率大幅提升，进而让VCSEL的3dB频宽从室温的30 GHz增加至超过200 GHz，进一步证实了Cryo-VCSEL技术在高速光通讯领域的巨大潜力。

UIUC教授John Dallesasse的演讲聚焦于VCSEL技术的最新进展与异质整合应用，展示了该技术在高性能光通讯与新兴应用领域的潜力。

研究团队成功开发了应力控制的无序定义孔径技术，透过应力诱导的无序效应来精确控制光学孔径与横模特性，从而实现高功率单模VCSEL。在高功率输出条件下，这些VCSEL仍能维持稳定的单模操作，为高速光通讯提供了全新解决方案。此外，团队致力于推动III-V族半导体材料与硅基板的异质整合技术，实现光电子与微电子的深度融合，这项技术有望在光电集成电路（Photonic Integrated Circuit, PIC）与硅光子学（Silicon Photonics）领域带来革命性突破，进一步推动高速光通讯与计算技术的发展。在应用层面，VCSEL技术已成为数据中心短距离光传输的核心技术，研究显示透过优化VCSEL的设计与制程，可显著提升其调变速度与能量效率，以满足未来高速宽带网络的需求。此外，VCSEL在3D感测、LiDAR等领域的应用前景广阔，未来将在多个高科技领域发挥关键作用。

藉由演讲内容，我们了解VCSEL技术如何提升数据传输速度、降低能耗，并在光学运算、3D感测、光学互连等应用场景中发挥关键作用。此外，与会者也对VCSEL在下一代AI计算架构与高效能运算（HPC）之间的紧密关联，以及其在未来网络基础设施中的潜在影响，展开了热烈讨论。

这场研讨会不仅提供了最新的技术趋势与研究成果，也促进了产学界的交流与合作，为未来VCSEL技术的发展与应用开启更多可能性。

后记

举办大型活动真的得绷紧神经。好在协助筹备的同学们都很聪明、很细心、很团结，也有举办大型活动的经验，因此能同心协力完成任务。活动前，我们多次测试视听设备以维持良好的联机质量、亲自走位确保报到动线不会大塞车、讨论细节以确保大家都有共识并知道自己该做什么、制作许多会议文宣确保一切尽善尽美…。

虽然会议当天我们因早餐迟到而陷入「乱流」，所幸凭借先前反复走位演练与充分讨论建立的默契，顺利举办这场活动。

办活动很累，结束后却又有点舍不得。不是我们的个性喜欢被「虐」，而是我们享受团队合作的氛围以及某种情绪极限下的刺激跟成长。

Fast-Response FFS LC device with multi-rubbing angle for VR applications

Professor Wing-Kit Choi

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 蔡永杰教授

We propose new fast response FFS LC devices with virtual walls by using alternating (or multi) rubbing directions, which can be generated by using photo-alignment. These new devices can offer much-enhanced response-speed compared to the conventional FFS LC device. By choosing different types of “local” LC molecular arrangements or designs (e.g. by using photo-alignment), we may be able to alter the virtual wall pitch length, and hence also alter the response speed and transmission of these fast response LC devices. These new designs can provide a new and alternative approach to generating virtual walls by “locally” varying the rubbing angle using photo-alignment. These devices are attractive for VR applications where high speed operation of liquid crystal devices is required.

Reference:

Shi-Rui Chen and Wing-Kit Choi, “Fast-Response FFS LC Device with Multi-rubbing Angle for VR Applications,” SID technical digest, vol: 55, issue 1, p.2075-2077, 2024

Strong Coupling between All-dielectric Metasurfaces and Epsilon-near-zero Modes for Broadband Third Harmonic Generation

Professor Hui-Hsin Hsiao

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 萧惠心教授

Third-harmonic generation (THG) is a nonlinear optical process in which three photons at the excitation frequency interact within a nonlinear medium to generate a single photon at three times the excitation frequency. This process has significant applications in microscopy, laser technology, and spectroscopy.

Here, we propose a nonlinear hybrid metasurface composed of amorphous silicon nanocubes on an ultrathin Indium Tin Oxide (ITO) film to explore the coupling effect among Mie resonance, quasi-bound states in the continuum (QBICs), and the epsilon-near-zero (ENZ) guided mode. Through near-field analysis and coupled mode theory (CMT), we demonstrate that Mie-ENZ coupling is significantly more efficient than QBIC-ENZ coupling, aligning with the critical coupling condition. This strong coupling effect is accompanied by a large Rabi splitting energy of 190 meV. In experiment, our nonlinear hybrid metasurface exhibits an ultra-broadband THG enhancement, achieving a measured conversion efficiency exceeding 10^-7 within the spectral range of 1230-1600 nm. Notably, a more than ten-fold TH enhancement is observed in the blue light region (410-450 nm) when comparing the coupled and uncoupled systems. These results highlight the potential of hybrid metasurfaces as a platform for broadband light sources, wide-range dielectric spectroscopy, and high-resolution imaging with extended spectral coverage.

300 GHz Low-Cost PCB Vivaldi Antenna Array and Transition Structure to WR-3 Waveguide

Professor Yu-Hsiang Cheng

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 郑宇翔教授

We design a four-element Vivaldi antenna array, a 1-to-4 power divider for signal distribution, and a transition structure to a WR-3 waveguide. The power divider utilizes substrate integrated waveguides, while the transition to the rectangular waveguide is achieved through a coupled patch antenna structure. The entire antenna array and transition structure are printed on a single layer of circuit board substrate, with linewidths exceeding 0.125 mm to ensure cost-effective manufacturing. Simulation results of the array antenna with the transition structure show a peak realized gain of 13.6 dBi, with gain variation within the operating frequency band of 272-311 GHz remaining under 0.4 dB, making it suitable for operation in IEEE 802.15.3d channel 67. The measured gain pattern and reflection coefficient of both the individual antenna elements and the array antenna align closely with the simulation results.

Reference:

Zhao-Fa Chen, Zhao-Hong Tu, Chih-Han Lin, and Yu-Hsiang Cheng, “300 GHz PCB Vivaldi Antenna Array and Transition Structure to WR-3 Waveguide,” IEEE Access 12, 92169 (2024)

— 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、郭权锋 —

自旋极化的检测

凝态物理学的关键挑战是理解奈米尺度上光与材料之间的相互作用，特别是光的手性（Chirality）影响电子自旋的方式。在自旋电子学中，有效地检测自旋极化仍然是一个悬而未决的问题，而检测自旋的传统方法通常很复杂并且与材料相关。

现在，Gabriele Pasquale及其来自瑞士洛桑联邦理工学院、德国里根斯堡大学和日本国家材料科学研究所的同事们研究了手性诱导效应是否可以提供一种更简单、更直接的方法来透过电学检测自旋极化。具体来说，如图1所示，他们利用少数层硒化铟（InSe）开发了垂直穿隧接面（Vertical tunnel junctions），并探索了带有手性的圆偏振光如何与材料中的电子自旋相互作用。（Nat. Mater. 24, 212–218; 2025）

十年前，一项理论研究预测自旋极化电洞可能出现在某些金属单硫属化物（Metal monochalcogenides）的平坦价带上，例如硒化铟（InSe）和硒化镓（GaSe）。但这种现象从未在实验中观察到。在目前的工作中，团队选择InSe作为其研究的材料，因为它具有可靠的制造、可重复性以及与价带最大值处的范霍夫奇点相关的清晰之光学和电学特征。

「在我们先前的研究中，我们证明了穿隧光电流（Tunnelling photocurrents）是范霍夫奇点（Van Hove singularities）的高灵敏度探测器。这种对电子状态变化的极端敏感性使穿隧效应成为检测自旋极化的理想技术。现在，我们的实验已经证明，InSe中的穿隧光电流对入射光的手性很敏感，并且会随着施加的磁场而变化，」Pasquale说。

研究的样品是六方氮化硼（Hexagonal boron nitride-encapsulated）封装的InSe层，带有少数层石墨（Few-layer graphite, FLG）电极和FLG背栅。透过使用具有不同手性的532 nm激光选择性地激发几层InSe并保持固定磁场，在InSe和背栅之间的外平面穿隧光电流中观察到尖锐的峰值特征，因为存在Van Hose奇点，并且获得了在100 mK时约15 µeV的最小可检测能障变化。

「我们首次在原本非手性系统中透过电学方法探测到了光手性，这要归功于磁场作用下相关材料的不对称行为。此外，我们还证实了自旋极化电洞在价带边缘聚集，这与十年前的理论预测一致，而且我们成功地透过电学方法探测到了这种自旋极化，」Pasquale补充道。

研究团队相信，他们的实验结果表明，可以利用手性诱导效应来检测二维材料中的自旋极化，从而为自旋检测提供一种新方法。「我们的工作表明，穿隧电流是探测具有平带和范霍夫奇点的材料的宝贵工具。这种方法可以扩展到我们的研究之外，使实验能够探测由于接触电阻或肖特基能障等传输限制而难以探测的电子状态。更广泛地说，我们的研究结果凸显了手性光与物质相互作用在探测和控制二维材料自旋特性方面的潜力，开启自旋电子学研究的潜力。」

然而，尽管前景看好，但他们也透露，他们的方法需要高度敏感的测量技术和精确的实验条件，因此目前难以大规模实施。

「所涉及的讯号非常微妙，需要精密的仪器才能可靠地检测到它们。此外，将这种穿隧接面整合到实际的设备架构中仍然是一个悬而未决的挑战，特别是对于需要稳健且可扩展的自旋检测的应用而言，」Pasquale进一步解释道。

这项发现必将为利用光物质相互作用进行自旋控制和检测的新型自旋电子装置铺平道路。潜在的应用包括高灵敏度磁力传感器、新型信息储存技术和高效自旋检测至关重要的量子运算组件。

「我们的主要成就是一项基础科学发现，这是期待已久之针对理论预测的实验验证。从发现到技术应用的道路可能很漫长，但他们的发现为未来该方向的研究奠定了基础，」Pasquale总结道。