跨國團隊找出矽光子關鍵技術 電腦將變「光腦」

臺灣半導體及晶片設計位居產業領先地位，主要是以「矽元素」製作出先進積體奈米電路，但最終會面臨尺寸與傳輸速度的極限。然而，臺大物理系教授朱士維帶領的國際團隊，將矽的光學非線性效應提升了3到4個數量級，讓「光控制光」，未來有望發展成「積體光路」。

矽是自然界中含量僅次於氧的第二大元素，因其具有良好的半導體特性，自1940年代發明積體電路迄今，矽電子領域成為奈米電路製程中不可或缺的材料。而在矽電子領域中，關鍵是做出具有非線性、能夠用「電控制電」的元件，不過，矽材料最終會面臨尺寸與傳輸速度的極限，因此全球也都致力於「矽光子學」研究，盼能夠「用光控制光」。

然而，想製造出「用光控制光」的全光學控制元件，受到矽晶本身的光學非線性效應太小的限制，在過去的研究中都不足以作為有效的全光學控制應用。不過，在科技部長期支持下，朱士維與日本大阪大學光子學中心教授高原淳一（Junich Takahara）、藤田克昌（Katsumasa Fujita）、中研院物理所博士林宮玄等學者共同組成的國際團隊，在此領域有了重大突破。

朱士維表示，他的研究團隊利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態，可以組成完整可見光光譜的奈米方塊，或是用光去關掉某些光。由於個別矽奈米粒子的散射顏色不盡相同，若將橘光打在矽基板上發綠光的矽奈米粒子，可導致後者變得不可見，進而實現以光控制光的效果。

朱士維說，這項突破可以把矽的光學非線性效應提升1千至1萬倍，且反應時間只要奈秒等級，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。團隊也發現，運用這項技術可做出精度高達40奈米的遠場光學超解析顯微影像，將可實現無須染色的超解析顯微技術。

朱士維指出，1940年代電晶體的發展開啟電腦計算功能，且技術進步到做出可以放在手機中的微小晶片，但主要還是用電的訊號驅動，這次研究發現，可以用光訊號來控制光，並可應用在矽材料上。雖然矽光子技術目前仍處於早期的概念階段，但未來有望大量生產，讓「積體電路」變成「積體光路」、「電腦」變成「光腦」。◇