中山大學林宗賢團隊 台美合作「科學大突破」全球最大光子晶體

中山大學林宗賢團隊 台美合作「科學大突破」全球最大光子晶體
「原本全世界的人造光子晶體只有像頭髮這麼細微,我們做出了長寬約一公分這麼大的單晶!」國立中山大學光電工程學系特聘教授林宗賢團隊投入「單晶結構三維光子晶體」研究,透過台、美雙邊合作,歷時兩年多,成功做出目前世界上最大的三維單晶光子晶體,並展示其優異的光電特性,傑出研發成果登上國際頂尖期刊「自然通訊」(Nature Communications)。

這項研究成果未來可應用於大幅度調控微型三維雷射、飛秒超快脈衝調製及各式光子元件。中山大學研究團隊首次將無機材料製程中的長晶法,應用在有機材料藍相液晶中;並依據相變理論,控制藍相液晶的自組裝過程,進而找到晶體的最佳生長條件,成功的將三維液態光子晶體從過去的數十微米,一舉推進至數千微米;數百倍的成長,突破了傳統人造光子晶體的極限。

林宗賢教授表示,這項重大研發成果提供了優異的可調控光子能隙特性,有效改善傳統光子在傳輸時,大角度便會漏光、能量耗損等問題,實現光迴路的微小化,更使得以更小尺寸的微型積體光路取代現有的積體電路變得可行,未來能以更快速的光子取代電子,作為資訊傳輸的媒介。

何謂「光子晶體」?自然界許多生物呈現五彩繽紛的色彩,例如蝴蝶翅膀、孔雀羽毛等。以蝴蝶翅膀為例,蝴蝶展翅時,翅膀綴著由藍、綠、黃、紅等彩色構成的幾何圖案,反射出鮮豔奪目的虹彩光澤。蝴蝶翅膀色彩絢麗的祕密,即來自其不同間距、排列整齊的奈米結構,科學界稱之為「光子晶體」。

「人造光子晶體」除了可模仿生物的多樣豐富色彩外,更可作為靈感,啟發、開創出新的應用領域。林宗賢教授指出,除了做成寶石,更可用來控制光的各種傳播特性,因此在光積體電路、光子晶片、非線性光學、雷射、等資訊科技應用中,皆顯現出重要的應用前景。尤其在現今大數據、人工智慧的大量資訊應用需求下,光子擁有速度快、頻寬大、光子間幾乎沒有交互作用等電子所沒有的優勢,以「光子」取代「電子」為未來趨勢。因此,如何精準操控光的流動,即為一重要課題。

本研究由科技部與美國空軍科學研究辦公室支持,獲刊於國際一流頂尖期刊《自然通訊》(Nature Communications),通訊作者為中山大學光電工程學系特聘教授林宗賢與榮譽講座教授Iam-Choon Khoo教授(美國賓州州立大學William E. Leonhard 講座教授、國際電機電子工程學會會士、美國光學學會會士);美國賓州州立大學博士生陳君維與中山大學光電系博士生侯建宗與為第一作者,主要合作者包括美國空軍研究實驗室的Timothy J. Bunning博士、中山大學光電系博士後研究員趙宏昌、王俊達、博士生李承璋、蔣聖評、及碩士生洪敬榔、郭端毅及王成宇。

期刊全文詳見https://www.nature.com/articles/s41467-017-00822-y

【附錄】

光子晶體材料是具有週期性折射率變化的介電質材料,特殊頻率範圍內的光波無法傳遞。設計出這種有頻隙的光波介質,除了讓光波傳播不了以外,只要將週期性做局部的破壞,就可以製造出許多有用的奈米光學元件。例如在介電質中製造缺陷,就可以將光波侷限在缺陷附近以形成共振腔或是光子晶體波導。共振腔是製造雷射的主要元素,而光子晶體波導藉由光子能隙將光限制在波導內,工作原理與全反射效應無關,因此可以有效改善傳統波導大角度轉彎的漏光問題,實現光迴路的微小化。液態光子晶體以液晶為主要材料,兼具了光子晶體優異的光電特性與液晶之高度可調控性,是未來發展微型積體光路最可能的材料之一。

中山大學光電系林宗賢特聘教授近年來帶領研究團隊,深入研究藍相液晶光子晶體及其單晶成長,並已將一系列成果發表在國際知名期刊。包括開發出光控三維奈米結構藍相液晶(Advanced Materials 25, 5050, 2013),電控三維液態光子晶體藍相液晶(ACS Photonics 2, 1524, 2015),以及發展出巨大三維光子晶體單晶藍相液晶之長晶技術及應用(Nature Communications 8, 727, 2017)。