本所林清富教授研究團隊（林清富教授、邱浩菘博士生、蔡志遠博士生）和中正大學葉志庭副教授研究團隊合作之全彩Micro-LED顯示器技術，參加國際資訊顯示學會中華民國總會（SID）舉辦2025 I-Zone全國創新智慧顯示專區競賽，榮獲聯詠科技獎，特此恭賀！

本所5月份演講公告：

『Zwitterionic Membranes and Biomedical Applications』

～ 高效能運算及高速傳輸研討會（High-Performance Computing and High-Speed Interconnect Workshop）花絮報導 ～

（時間：114年3月11日；地點：臺灣大學博理館101演講廳、電機二館105演講廳）

花絮整理：楊淞普、張智翔、李翊綸

AI與高效能運算時代來臨，為促進技術交流與產業發展，本所黃建璋教授舉辦「高效能運算及高速傳輸研討會」，探討高效能計算、資料中心網路架構及未來發展趨勢議題。共吸引250位業界及投資界的人士報名參加。

本次論壇非常榮幸能邀請伊利諾大學香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC）的Prof. Milton Feng及Prof. John Dallesasse兩位知名學者蒞臨並給予演講。兩位教授的分享主題為次微米孔徑氧化型垂直共振腔面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL）相關研究成果以及未來展望。

UIUC教授Milton Feng的演講聚焦於VCSEL（垂直腔面發射雷射）在低溫環境下的高速光學連結，展示了Cryo-VCSEL技術在超導運算、低溫光互連與新世代資料中心的潛力，為高速光通訊領域帶來突破性的發展。研究團隊的核心目標是發展微共振腔雷射技術，以實現每比特能耗低於10 fJ的高效能光學網路。氧化型VCSEL因其低功耗、高速調變能力及適合大規模部署的優勢，已成為資料中心短距離光傳輸的主要技術。在技術突破方面，團隊成功開發了一種0.9 μm孔徑的氧化型VCSEL，並在極低溫（3 K）環境下展示了112 Gbps PAM-4的光學傳輸，達成創紀錄的46 fJ/bit低能量消耗。此外，透過優化共振腔與增益介面，Cryo-VCSEL在2.9 K、4 mA驅動條件下實現了136 Gbps PAM-4數據傳輸，並首次展示了2.6 K下的半導體雷射。研究還發現，在4 K至80 K範圍內，Cryo-VCSEL的頻寬增強超過50 GHz，這與量子井中的電子-電洞重組生命週期的快腔物理特性密切相關。此外，隨著資料中心流量需求的指數增長，從2016年的25 Gbps NRZ技術發展到2022年的112 Gbps PAM-4，預計2025年將提升至224 Gbps，2028年可達448 Gbps，這項VCSEL技術可望成為未來低溫超導運算環境與量子運算中的關鍵光學互連技術。此外，研究團隊透過COMSOL模擬建立3D熱模型，驗證熱積累如何影響VCSEL的調變頻寬。實驗數據顯示，在低溫（4 K）條件下，自發復合壽命減少了五倍，使電子-電洞復合速率大幅提升，進而讓VCSEL的3dB頻寬從室溫的30 GHz增加至超過200 GHz，進一步證實了Cryo-VCSEL技術在高速光通訊領域的巨大潛力。

UIUC教授John Dallesasse的演講聚焦於VCSEL技術的最新進展與異質整合應用，展示了該技術在高性能光通訊與新興應用領域的潛力。

研究團隊成功開發了應力控制的無序定義孔徑技術，透過應力誘導的無序效應來精確控制光學孔徑與橫模特性，從而實現高功率單模VCSEL。在高功率輸出條件下，這些VCSEL仍能維持穩定的單模操作，為高速光通訊提供了全新解決方案。此外，團隊致力於推動III-V族半導體材料與矽基板的異質整合技術，實現光電子與微電子的深度融合，這項技術有望在光電積體電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）與矽光子學（Silicon Photonics）領域帶來革命性突破，進一步推動高速光通訊與計算技術的發展。在應用層面，VCSEL技術已成為資料中心短距離光傳輸的核心技術，研究顯示透過優化VCSEL的設計與製程，可顯著提升其調變速度與能量效率，以滿足未來高速寬頻網路的需求。此外，VCSEL在3D感測、LiDAR等領域的應用前景廣闊，未來將在多個高科技領域發揮關鍵作用。

藉由演講內容，我們了解VCSEL技術如何提升資料傳輸速度、降低能耗，並在光學運算、3D感測、光學互連等應用場景中發揮關鍵作用。此外，與會者也對VCSEL在下一代AI計算架構與高效能運算（HPC）之間的緊密關聯，以及其在未來網路基礎設施中的潛在影響，展開了熱烈討論。

這場研討會不僅提供了最新的技術趨勢與研究成果，也促進了產學界的交流與合作，為未來VCSEL技術的發展與應用開啟更多可能性。

後記

舉辦大型活動真的得繃緊神經。好在協助籌備的同學們都很聰明、很細心、很團結，也有舉辦大型活動的經驗，因此能同心協力完成任務。活動前，我們多次測試視聽設備以維持良好的連線品質、親自走位確保報到動線不會大塞車、討論細節以確保大家都有共識並知道自己該做什麼、製作許多會議文宣確保一切盡善盡美…。

雖然會議當天我們因早餐遲到而陷入「亂流」，所幸憑藉先前反覆走位演練與充分討論建立的默契，順利舉辦這場活動。

辦活動很累，結束後卻又有點捨不得。不是我們的個性喜歡被「虐」，而是我們享受團隊合作的氛圍以及某種情緒極限下的刺激跟成長。

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

臺灣大學光電所 蔡永傑教授

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

臺灣大學光電所 蕭惠心教授

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

臺灣大學光電所 鄭宇翔教授

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)

— 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 —

自旋極化的檢測

凝態物理學的關鍵挑戰是理解奈米尺度上光與材料之間的相互作用，特別是光的手性（Chirality）影響電子自旋的方式。在自旋電子學中，有效地檢測自旋極化仍然是一個懸而未決的問題，而檢測自旋的傳統方法通常很複雜並且與材料相關。

現在，Gabriele Pasquale及其來自瑞士洛桑聯邦理工學院、德國雷根斯堡大學和日本國家材料科學研究所的同事們研究了手性誘導效應是否可以提供一種更簡單、更直接的方法來透過電學檢測自旋極化。具體來說，如圖1所示，他們利用少數層硒化銦（InSe）開發了垂直穿隧接面（Vertical tunnel junctions），並探索了帶有手性的圓偏振光如何與材料中的電子自旋相互作用。（Nat. Mater. 24, 212–218; 2025）

十年前，一項理論研究預測自旋極化電洞可能出現在某些金屬單硫屬化物（Metal monochalcogenides）的平坦價帶上，例如硒化銦（InSe）和硒化鎵（GaSe）。但這種現象從未在實驗中觀察到。在目前的工作中，團隊選擇InSe作為其研究的材料，因為它具有可靠的製造、可重複性以及與價帶最大值處的範霍夫奇點相關的清晰之光學和電學特徵。

「在我們先前的研究中，我們證明了穿隧光電流（Tunnelling photocurrents）是范霍夫奇點（Van Hove singularities）的高靈敏度探測器。這種對電子狀態變化的極端敏感性使穿隧效應成為檢測自旋極化的理想技術。現在，我們的實驗已經證明，InSe中的穿隧光電流對入射光的手性很敏感，並且會隨著施加的磁場而變化，」Pasquale說。

研究的樣品是六方氮化硼（Hexagonal boron nitride-encapsulated）封裝的InSe層，帶有少數層石墨（Few-layer graphite, FLG）電極和FLG背柵。透過使用具有不同手性的532 nm雷射選擇性地激發幾層InSe並保持固定磁場，在InSe和背柵之間的外平面穿隧光電流中觀察到尖銳的峰值特徵，因為存在Van Hose奇點，並且獲得了在100 mK時約15 µeV的最小可檢測能障變化。

「我們首次在原本非手性系統中透過電學方法探測到了光手性，這要歸功於磁場作用下相關材料的不對稱行為。此外，我們還證實了自旋極化電洞在價帶邊緣聚集，這與十年前的理論預測一致，而且我們成功地透過電學方法探測到了這種自旋極化，」Pasquale補充道。

研究團隊相信，他們的實驗結果表明，可以利用手性誘導效應來檢測二維材料中的自旋極化，從而為自旋檢測提供一種新方法。「我們的工作表明，穿隧電流是探測具有平帶和範霍夫奇點的材料的寶貴工具。這種方法可以擴展到我們的研究之外，使實驗能夠探測由於接觸電阻或肖特基能障等傳輸限制而難以探測的電子狀態。更廣泛地說，我們的研究結果凸顯了手性光與物質相互作用在探測和控制二維材料自旋特性方面的潛力，開啟自旋電子學研究的潛力。」

然而，儘管前景看好，但他們也透露，他們的方法需要高度敏感的測量技術和精確的實驗條件，因此目前難以大規模實施。

「所涉及的訊號非常微妙，需要精密的儀器才能可靠地檢測到它們。此外，將這種穿隧接面整合到實際的設備架構中仍然是一個懸而未決的挑戰，特別是對於需要穩健且可擴展的自旋檢測的應用而言，」Pasquale進一步解釋道。

這項發現必將為利用光物質相互作用進行自旋控制和檢測的新型自旋電子裝置鋪平道路。潛在的應用包括高靈敏度磁力感測器、新型資訊儲存技術和高效自旋檢測至關重要的量子運算組件。

「我們的主要成就是一項基礎科學發現，這是期待已久之針對理論預測的實驗驗證。從發現到技術應用的道路可能很漫長，但他們的發現為未來該方向的研究奠定了基礎，」Pasquale總結道。