台灣團隊發現奈米矽超大光學非線性,有朝一日或有全光學開關的「光腦」

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 08 日 15:40 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


現今電子電路領域想要有所突破、提升數據處理與傳輸速度,科學家前進的方向之一是光子領域。由台大物理系教授朱士維領導的國際團隊最近發現了奈米矽超大光學非線性,雖然目前仍只是早期概念階段,但未來或能應用在全光學開關與超解析顯微技術領域上,電腦電路不再由電子控制開關,而是由光子控制。

矽是地球自然界中含量僅次於氧的第二大元素(在宇宙的元素排名則為第八),海邊砂子隨便一把抓都含有矽,因其具良好半導體特性,自 1960 年代發明積體電路以來至今,矽電子領域便蓬勃發展,已然成為奈米電路製程中不可或缺的角色。

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,如電晶體;矽光子學領域亦然,製造出用光控制光的元件(全光學控制元件)也是其中關鍵,只不過矽晶本身的光學非線性效應太小,過往研究都認為不足以作為有效的全光學控制應用。

但矽光子領域真的毫無出路嗎?科學家真的無法嘗試利用光控制光嗎?最近,台大物理學系朱士維教授團隊利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態加上光致熱效應,成功將矽的光學非線性效應提升三到四個數量級,且反應時間僅在奈秒之間,研究人員可針對個別矽奈米粒子的散射光進行近 100% 調控,實現 GHz 奈米全光學開關。

▲ 奈米矽光學非線性的應用之一:超解析顯微。

舉例來說,由於個別矽奈米粒子的散射顏色不盡相同,將之拚在基板上就有如一幅畫,而科學家可以用一道光去關掉另一道光,比如將橘光打在矽基板上發綠光的矽奈米粒子導致後者變得不可見,實現以光控制光的效果。

朱士維教授表示此番發現的奈米矽光學非線性效應,讓光控制光的能力相較於以往提升 1,000~10,000 倍,可應用在全光學開關(比如光纖),讓數據處理、傳輸速度提升數個數量級;也可以實現無須染色的超解析顯微技術。

雖然矽光子技術仍處於早期概念階段而已,但也許有朝一日,利用電子控制電子的「電腦」會走入歷史,而利用光子控制光子的「光腦」將應運而生。

▲ 台大物理學朱士維教授(後排右二)團隊與科技部長官合影。

(圖片來源:科技部提供)