為全光化IC整合鋪路 台美團隊開發室溫鈣鈦礦雷射

作者 : Susan Hong

為了打造低能耗與微型化光纖雷射,以台灣為主導的跨領域團隊突破鈣鈦礦材料限制,結合單晶光纖,開發出以低成本製作雷射的製程,為下世代全光化IC鋪路...

鈣鈦礦(perovskite)材料由於具備結構可調性與涵蓋多種波長的優勢,已經廣泛用於製作太陽能板,但仍存在接觸空氣和受熱不穩定的缺點。為了打造低能耗與微型化光纖雷射,以台灣為主導的跨領域團隊突破鈣鈦礦材料限制,結合單晶光纖,開發出以低成本製作雷射元件的製程,為下世代全光化IC目標鋪路。

由國立東華大學(NDHU)物理系暨光電系、國立海洋大學(NTOU)光電系以及美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)電機系共同組成的跨領域研究團隊,在科技部(MOST)計畫支持下,歷經兩年研究,成功結合太陽能材料、雷射與半導體晶片,成為更輕薄、節能、平價製作成本及可規模化量產塗佈製程的雷射元件。

圖1:雷射光纖於不同鈣鈦礦材料塗佈下的多彩顯示(來源:MOST)

因應節能與微型化趨勢,新興的太陽能材料——鈣鈦礦以及光纖元件的整合,被視為下世代全光化IC整合的重要目標。然而,鈣鈦礦雷射由於天生散熱較差,僅能於低溫運作,無法相容於室溫下操作的全光化IC;再者,相較於微型光纖元件,鈣鈦礦雷射由於仰賴昂貴的脈衝雷射驅動,需要較大體積與高維護成本,不易與IC整合。

主導此次研究的東華大學物理系暨光電系教授賴建智解釋,鈣鈦礦材料具有材料易於合成、發光特性可調整且具有優異的光電特性,但其缺點是在一般環境下接觸水、氧而劣化且元件壽命易受熱減短,必須存在無水、氧環境。因此,在採用鈣鈦礦材料來製作雷射元件時同樣面對這些缺點。

為了克服現瓶頸,開發簡易、低成本且可量產的雷射元件製程,研究團隊率先提出適合光纖圓柱狀結構的可塗佈、浸潤製程,將奈米級鈣鈦礦披覆於具原子級平整度的高品質單晶光纖上。由於單晶化光纖的導熱係數高,能夠克服鈣鈦礦材料散熱不佳的問題,同時也達到與半導體IC整合的能力,實現可室溫下操作且低能耗的鈣鈦礦雷射。

圖2:簡易、低成本且可量產之雷射元件製作步驟(來源:MOST、NDHU、UCLA)

賴建智說:「透過結合單晶光纖與鈣鈦礦做成雷射元件,基本上就是一個微型波導,配合高發光效率的鈣鈦礦材料。」

研究團隊並架設一套奈米尺度的光學檢測設備,涵蓋光譜、時間解析等可見光波段的各種基本量測,解開單晶光纖高導熱係數與兼具微型共振腔等特性,並顛覆以往對於鈣鈦礦熱不穩定性和必要脈衝雷射光驅動之認知,能夠大幅縮小雷射體積至比人類頭髮直徑更細小的單晶光纖,有效融合光纖波導和鈣鈦礦材料的特性。

圖3:根據基本檢測取得的雷射輸出光譜、效率、影像與元件穩定度等數據,顯示研究團隊在室溫下透過連續式雷射激發單晶光纖/鈣鈦礦雷射的效能突破。(來源:NDHU、UCLA)

在研究團隊發表的論文中,首次明確指出了鈣鈦礦雷射輸出在室溫下的轉換效率(3%),雷射元件的穩定度也從以往僅數分鐘到1小時提高到3.5個小時,後續還可透過模擬實現最佳化,這是其他研究團隊/文獻尚未達到的成果。而在未來跨領域的應用上,賴建智指出,透過調整鈣鈦礦材料的成份,可進一步得到多波長輸出的光纖雷射,大幅降低製備光學晶片的複雜度與門檻。

為了實現全光化和IC整合,最終的目標是達到像半導體雷射一樣使用電激發。賴建智指出,研究團隊目前這項「在室溫下連續式雷射激發」的成果,能夠取代現有較昂貴的元件且易於整合,已經是最接近電激發目標的研究計劃了,未來還將持續朝向以電激發、甚至以鈣鈦礦雷射完整取代IC最前端的半導體雷射之目標前進。

該主題為「超低閾值連續波室溫晶體光纖/奈米級鈣鈦礦混合雷射實現全光子整合」(Ultralow-Threshold Continuous-Wave Room-Temperature Crystal-Fiber/Nanoperovskite Hybrid Lasers for All-Optical Photonic Integration)的研究成果已刊載於今(110)年2月的國際學術期刊《先進材料》(Advanced Materials)。

 

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