卓越計畫 - 建構兆位元的光電科技

　　本計畫由交大、中大及陽明績優研究人員組成團隊，從事先進雷射及光與物質交互作用的基礎研究，探討量子、光能隙、全像光學記錄等尖端材料與元件，發展光資訊平行處理、先進光電積體電路與微光電系統技術，以應用於下世代光纖通訊系統、光儲存、和生醫光電研究，以期對建構我國兆位元資訊必需的光電科技研究做出重要貢獻，協助建立相關產業的核心技術，奠定新世紀資訊社會競爭力的科技基礎。計畫為期四年（2004/4/1-2008/3/31），由交大光電系潘犀靈教授擔任總主持人，茲簡述突破性研究成果如後：

　　與孔慶昌教授合作，趙如蘋與潘犀靈教授的研究群研製的液晶空間光調制器(LC-SLM) 被用於產生光場寬僅0.38週期(對應寬度0. 44 fs，1 fs = 10^-15 sec)的次飛秒級光脈衝串[Phys. Rev. Lett. 100:163906, 2008]。這種世界級結果是利用LC-SLM達成相位鎖定氫分子中的分子調制 (molecular modulation) 所產生的七個拉曼邊帶(Raman sideband)，對應頻寬達 24931.2 cm^-1 約兩個倍音程(octaves）。利用光相關法，我們證明如此產生的光脈衝串，由第一個到約第10⁶個，其載波包絡相位 (carrier-envelope phase) 移動小於 0.18 週期。本工作的特色之一是產生光脈衝的尖峰功率已達10 MW，這是目前其他方法所無不及的。

圖一。次飛秒脈衝的產生裝置

我們也發展了飛秒雷射退火技術(femtosecond laser annealing，簡稱FLA) ，這是一種低溫製程，用以將非晶矽(amorphous silicon, or a-Si)再結晶為多晶矽(poly-Si) ，頗具薄膜電晶體顯示器應用的潛力[reported at CLEO2003 as a news story; APL 85(7):1232, 2004, selected by the Virtual Journal of Ultrafast Science, September 2004, ROC patent I245321]。FLA也可用於淺接面活化 (Shallow junction activation)製程，是一種全新的雜質分布工程（dopant profile engineering） 工具 [APL 88:1311104, 2006, selected by Virtual J. of Nanoscale Sci. and Technol., and Virtual J. of Ultrafast Sci.].  我們已成功的利用FLA再結晶的多晶矽研製特性良好的TFT [Opt. Exp., 15: 6981, 2007, selected by Virtual J. of Ultrafast Sci.].

　　在兆赫光子學（THz Photonics）領域，交大潘犀靈與趙如蘋教授領導的團隊持續保持液晶THz光子學領域（由交大團隊開拓）的領先地位，發展了多種功能性液晶兆赫光子元件，如THz Lyot型雙折光濾波器，利用磁場諧調液晶的雙折光性，此濾波器的帶通頻率（band pass frequency）可在0.388 to 0.564 THz範圍內連續調變（a fractional tuning range of 40%﹚[發表於APL 88:101107, March 6, 2006, 本工作也由SPIE News Room報導http://spie.org/x14608.xml]。另一新型元件是電控式的液晶THz四分之一波片[OL 31(8):1112, April 15, 2006, collected by the Virtual Journal of THz Science and Technology and Virtual Journal of Biomedical Optics]及相移器 [IEEE PTL 18(14): 1488, July 15, 2006]，在1 THz可調相達360度。這是迄今唯一可在室溫工作的電控式THz調相器，2p之調相範圍表示此元件可供次毫米撥相位陣列雷達之用。

(a)                                                                                   (b)

圖二﹕(a) THz Lyot型雙折光濾波器之實體與(b)工作原理。

　　交大王興宗教授團隊研發成功室溫光激發之藍光GaN面射型雷射(GaN VCSEL)，被國際專業媒體Compound Semiconductor與Laser Focus報導。此雷射運用MOCVD成功生長出反射率高達98%以上無裂痕（crack）之AlN/GaN布拉格反射鏡(DBR)，為技術上之一重大突破、具量產之潛力。由於藍光GaN面射型雷射發射之光束為圓形，遠優於目前在Blu-ray或HD-DVD等藍光DVD技術採用之邊射型藍光GaN半導體雷射，將為下世代藍光光碟機的關鍵元件。最近，液氮溫度電激發藍光GaN VCSEL 已研製成功（經VCSEL發明人、東工大校長Prof. Iga親自鑑定），這是領先世界的研究成果，被選為CLEO’08的Hot Topics之一，Compound Semiconductor雜誌也在四月報導。      

圖三(a)、低溫下電激發藍光氮化鎵面射型雷射之雷射現象，雷射波長為462.8nm，半高寬為0.24nm。	圖三(b)、低溫下電激發藍光氮化鎵面射型雷射元件之LIV曲線。
圖三(c)、具上下粗化表面之氮化鎵高亮度發光二極體。	圖三(d)、微型腔氮化鎵發光二極體，每平方公分有1480個發光元件。

　　此外，本團隊發展之具上下粗化表面之GaN發光二極體(LED)，外部量子效率達40%，亮度為傳統式LED之三倍。利用光子晶體技術更可加提昇LED發光效率並改變發光場型。下世代照明工業將大量採用固態照明裝置。本元件為發展節約能源的固態照明裝置之關鍵技術。部份技術已移轉晶元光電，其他合作廠商包括中美矽晶、禧通科技與光寶科技。

　　次兆位元超高密度光資訊儲存(100 Gbits/in²)將可由本計畫發展之新穎光聚合物材料及三度空間全像儲存技術達成。交大許根玉與林烜輝教授的團隊研發摻雜式PMMA 系列(phenanthrenequinone doped poly(methyl methacrylate or PQ:PMMA)的體積全像高分子材料方面有突破性的進展，如添加適當的ZnMA 的PQ:PMMA, 其全像儲存特性可大幅度改進。本團隊已可製作直徑5 英吋、厚度2 mm 的全像碟片，這是以往全像高分子材料製程無法達到的體積大小，而且其光致收縮係數可小至10^-5 以下，遠比一般高分子全像材料小三個數量級。本團隊亦將此碟片用於體積全像碟機中，初步的實驗結果顯示已可達成~ 200 bits/μm² 的儲存密度，直徑5 英吋、厚度2mm 的全像碟片，儲存容量達420 GB，而儲存速度可達117Mb/sec，均為目前最先進的藍光Blu-DVD 之10 倍以上。這個結果顯此種新材料確實具有超高密度的光資訊儲存之潛力，未來將進一步將改進材料品質，以實現兆位元儲存之目標。本專題的部份成果已技轉中環公司。

(a)	(b)
(c)	(d)

圖四(a)為全像光碟片之實體圖；(b)為體積全像碟機之實驗架構；(c)為此新型全像光學材料塊材，長寬分別為10 cm與5 cm。(d)與德國Fern大學合作中微型全像光碟片讀寫頭是意圖。

　　與Duke大學光電中心合作，交大博士生方建舜在許根玉老師的指導下，利用低成本的熱電偵測器陣列及Fresnel透鏡陣列列實現低損耗、高環保之生物熱像特徵取樣光電系統，並應用於步行者的特徵取樣及安全檢查辨認。(相關結果由國際光學工程學會的新聞網站SPIE Newsroom 主動邀請以“A pyroelectric biometric sensor system for human identification”為專題報導 )

圖五 光電式的偵測與辨識系統

在光纖通訊與光纖光學的研究上，由交大光電系賴暎杰、陳智弘教授所領導的研究團隊報導了利用獨特的四通道DWDM interleaver發展出低光放大雜訊的DWDM雙向傳輸光纖通訊系統，利用光纖循環迴路實驗平台的實地測試，在10Gb/s per channel的傳輸速度下傳輸距離可超過500 km，相當有助於實用雙向傳輸光纖通訊系統的發展。與工研院合作，利用量子點面發光半導體雷射，發展了可供資訊高速公路的交通管制的可調諧慢速光（Tunable Slow Light﹚元件，調制在10 GHz時可調諧光延遲達 42 ps ：延遲－頻寬乘積~ 0.42，為利用半導體雷射的慢速光元件中迄今文獻中報導的最大者。

圖六﹕QD VCSEL 慢光元件及其time delay量測。

此種慢光（Slow light）元件有機會可用來製作下世代光通訊系統所急需的tunable optical delay line，有很大的應用潛力。

本團隊也發展出利用self-seeded FP-LD with an embedded fiber Bragg grating的全新且具高經濟價值的全光式2R regeneration 模組，可適用至 10 Gb/s的傳輸速度，同時也發展出具自我修復功能之波長多工式光纖／無線通訊網路架構、以及多種新穎之光纖放大器、光纖雷射、與光纖光柵元件等。特別是在新型的Hybrid Fiber/Wireless networking技術上，我們報導了一個新型20GHz雙服務Radio-over-Fiber傳輸系統，在訊號的產生上具有獨特的優點，未來應可繼續朝60GHz的Radio-over-Fiber系統來發展，在60GHz的高頻下產生各種複雜的信號調變形式（如DPSK，QAM等）。 

圖七﹕新型20GHz雙服務Radio-over-Fiber傳輸系統。

        中大團隊在詹益仁與張正陽教授的領導下研製了多種新穎的奈米光電元件與電路，如辛裕明教授成功的研製了利用CMOS技術的高速（3.5 GB/s）矽光偵測器(圖八)，迄今此類元件表現的世界記錄。許晉瑋教授研製的多種光電元件，如次兆赫頻寬的光偵測器與光電式兆赫輻射發射源，超寬頻(~580nm)白光發光二極體（LED）(圖九)與兼具照明與通訊(330MHz)功能的綠光LED都具世界級的表現。陳啟昌教授整合傳統波導、光子晶體奈米波導、光子晶體分波長多工元件以及光偵測器於同一晶片，並以半導體製程與奈米電子束微影法實現光電奈米微晶片(圖十)的雛型，操作波長為1.55微米，操作速度已可達20GHz，未來可製作超高速光電計算微晶片。

圖八. 標準MOS製程的高速（3.5 GB/s）矽光偵測器

圖九. 超寬頻(~580nm)白光發光二極體 

圖十. 光電奈米微晶片

陽明大學邱爾德教授領導的生醫光電團隊發展了多項光鉗微操控技術，利用之探討多項細胞力學機制，如：ConA Lectin 與細胞上Glycoprotein 作用力之量測、巨噬細胞受到靈芝萃取多醣體（Extract of Reshi Polysaccharides）後與膜蛋白間作用力的變化、Hu 蛋白與Lon之間的作用力量測及RecA 蛋白與 DNA之間的作用力量測等。其他的重要成果包括林奇弘教授發現表現人類整合蛋白(integrin IIb3)之中國倉鼠卵巢癌細胞株（CHO IIb 3）經fibrinogen或蛇毒蛋白rhodostomin基質刺激後，藉由聯合細胞膜上Na+-H+交換體(NHE1)及Ca2+-Na+交換體(NCX1)產生協同作用，能促使鈣離子湧入細胞內引發細胞內鈣離子波動。這些在細胞內囊泡上結合的過程，無法以傳統生化方式證明，而是以先進的光學技術（FLIM-FRET）於活細胞觀測到的。在進一步的研究中，本團隊發現這些囊泡上結合與送達至細胞膜的過程是藉細胞中”lipid microdomain”相關機制的參與而完成。

圖十ㄧ：經由靈芝多醣體（EORP）先行處理24小時過後的巨噬細胞，其膜蛋白CD14以及TLR4表現量增加；(a)藉由共軛焦顯微鏡觀測CD14於巨噬細胞上的表現量；(b)藉由共軛焦顯微鏡觀測TLR4於巨噬細胞上的表現量；(c)藉由流式細胞儀觀測膜蛋白CD14 和 TLR4於巨噬細胞上的表現量。

For details, please refer to the reports of each sub-projects.