發現奈米矽超大光學非線性 可望實現全光學開關

作者 : MOST

利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態──例如可以組成完整可見光光譜的奈米方塊,或是奈米圓盤中不放光的Anapole──加上光致熱效應,能將矽的光學非線性效應提升了三到四個數量級,而且反應時間僅須奈秒等級。

台灣的半導體及晶片設計居產業世界領先地位,主要是以自然界含量最豐富元素之一的矽元素製作出先進積體奈米電路製程。矽電子領域現階段相當傑出的研究基礎,有機會進一步擴展至矽光子領域的突破創新設計。在矽電子學領域中,關鍵是做出具有非線性,能夠用電控制電的元件,例如電晶體。同樣的,在矽光子學的領域中,用光控制光的元件,或說全光學控制元件,也是主要的關鍵。但是矽晶體本身的光學非線性效應實在太小,不足以作為有效的全光學控制應用。

在科技部的「優秀年輕學者計畫」、國際合作計畫及學門計畫的長期支持下,台灣大學物理學系教授暨分子影像中心副主任朱士維成立國際合作團隊,與日本大阪大學光子學中心的原淳一(Junichi Takahara)、藤田克昌(Katsumasa Fujita)兩位教授,以及中國暨南大學教授李向平團隊,還有台灣中央研究院物理所博士林宮玄、台灣大學凝態中心博士張之威、交通大學影像與生醫光電研究所教授陳國平共同合作,於最近兩篇發表在自然科學頂尖期刊《自然通訊》(Nature Communications)的研究論文中,發表利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態──例如可以組成完整可見光光譜的奈米方塊,或是奈米圓盤中不放光的Anapole──加上光致熱效應,將矽的光學非線性效應提升了三到四個數量級,而且反應時間僅須奈秒等級。

以上成果因此能夠對個別矽奈米粒子的散射光做將近100%的調變,實現GHz超快奈米全光學開關,並且創新地應用這樣的非線性製作精度高達40奈米的遠場光學超解析顯微影像。不僅比起傳統光學繞射極限高出一個數量級,更於世界上領先能在矽奈米結構上實現不需標記或染色的超解析技術。這些研究成果提供奈米矽光學領域嶄新的研究思路及應用潛力。

科技部長期深耕基礎研究,補助優質學術團隊進行科學突破並追求學術卓越,發展關鍵技術進而推動產業發展及創造科研價值,本次發表的創新前瞻科學研發成果能夠拓展矽光子領域尖端應用。目前科技部於新一期計畫(民國108至110年)持續支持研究團隊發展最新的矽晶體奈米光學技術。接下來希望進一步增加矽奈米結構的非線性效應與反應速度,也將繼續研發更高解析度的材料成像技術。

 

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