縮小光子元件在目前積體電路的開發上受到科學界大幅度的關注[1-2],尤其光電元件的微小化是現今半導體產業在研發上是相當熱門且重要的議題,因此探討如何將雷射尺寸做到更小、如何降低其運作耗能、如何提高其運算速度與開發新的雷射工作機制成為近幾年科學家重要的研究範疇。本文將介紹奈米雷射發展的背景與演進,說明電漿子共振腔與傳統光學共振腔工作機制的差異,以及討論過去作者過去所做的電漿子奈米雷射相關研究,例如奈米雷射系統之光增益、系統損耗以及雷射Q值(品質因子)的設計與選擇。也針對電漿子奈米雷射的元件物理、結構設計、材料組合選擇、潛在的應用與正所面臨的挑戰,做進一步的討論與分析。

解決單一晶片上之光通訊與數據運算處理是奈米雷射的前瞻應用之一,原因在於利用光頻工作之光子元件其運算速度可以比電子元件高。奈米雷射不僅可以縮小元件尺寸以提高資料儲存密度,也可用來提升數據運算速度與降低傳遞耗能。過去在雷射元件微小化的發展史(如圖一) 由微米尺度的垂直式面射型雷射(VCSEL)縮小至微型圓碟共振腔雷射、光子晶體雷射,最後縮小到幾個波長大小之奈米線雷射[2]。這類光學共振腔所產生的雷射,是由介電質與空氣間折射率的差異與共振腔尺寸的設計,來限制共振腔中的特定光波長滿足共振條件與能階反轉產生雷射光。常見的光學共振腔如Fabry-Perot平面腔、回音壁腔(Whispering-gallery cavity) 與光子晶體腔 (photonic crystal cavity)。

圖一 雷射元件微小化之發展與工作原理。由(a)光學共振腔之微型雷射發展至尺寸可小於光學繞射極限之(b)電漿子共振腔之奈米雷射[2-3]。(c)表面電漿極化子簡述: 於金屬與介電質界面處之電子波震盪的量子。(d)表面電漿子(藍線)與光子(黑線)之色散曲線(藍線),說明表面電漿子震盪具有有局域近場光增強的特性,可以用來突破繞射極限。

為了滿足駐波共振條件,光學共振腔雷射其整體元件尺寸會大於發光波長,且都具有較高的雷射Q值(品質因子)(Q~10^3 to 10^5)[2]。一直到2003年D. J. Bergman & Mark I. Stockman 提出了表面電漿子放大理論 [3],雷射元件尺寸才漸漸不受到光學繞射極限的限制。近10年,利用金屬表面電漿子特性提供雷射回饋機制之新型態奈米雷射紛紛被實驗證實。表面電漿子屬於近場效應,只在貴金屬與介電質界面有光場增強作用,有將光點侷限壓縮至奈米尺度的能力。此類電漿子奈米雷射與電晶體同為「金屬-氧化物-半導體」結構,基於金屬與氧化物介面產生之表面電漿子,與半導體產生的光子在氧化物介電質層處耦合形成電漿子共振腔。局域光場使得此新型態電漿子奈米雷射的整體尺寸可以小於發光波長,突破光學繞射極限。且此類電漿子奈米雷射之Q值數量級約為100 左右[3],雷射頻寬較光學共振腔雷射寬。

圖一(c)為表面電漿極化子產生的簡易圖示。表面電漿極化子(Surface plasmon polariton, SPP) 為金屬與介電質界面處之電子波震盪的量子,其色散關係圖如圖一(d),藍線為表面電漿子的色散曲線、光子的色散曲線則為黑線。其中色散關係圖的物理意義在於說明表面電漿子的波向量(ksp)可以在比光子波向量(ko)大的情況下以相同的發光頻率存在,因波向量與波長成反比。換句話說,表面電漿子可以在微小的區域發生光波頻段的共振。最經典的文獻例子為利用領結結構的奈米金板觀察其局域近場光增強的效應,證實表面電漿子在光場的空間分佈上具有可突破繞射極限的能力[4]。本院應科中心呂宥蓉助研究員與其合作團隊先前開發出一種可突破繞射極限的新型奈米半導體雷射[5-6],以電漿子共振腔[7-9]取代傳統的光學共振腔[1],成功地將雷射元件的體積縮小到三個維度,均遠小於光波長的奈米尺度,研究成果發表於國際頂尖期刊Science[5]。

近期本院應科中心呂宥蓉助研究員及其帶領的合作團隊在奈米雷射上又有新的突破,成功用量子點來打造奈米雷射[10]。由於鉛鹵素鈣鈦礦材料其優異的光學特性,以及可在溶液中簡單合成的特點,使其變成一個熱門的研究材料,近期廣泛被應用為雷射增益介質 (gain media)。然而目前的鈣鈦礦雷射研究皆因模態體積太大,造成雷射起始閥值(lasing threshold)太高,應用上受到限制。在此研究中,我們將CsPbBr3全無機鈣鈦礦量子點與奈米金屬顆粒形成一個奈米電漿子共振腔,並激發具有高品質因子的電漿子間隙模態,成功地做出一個具有超低雷射閥值的奈米雷射。

圖二 (a)利用鈣鈦礦量子點實現電漿子間隙模態奈米雷射示意圖與場分佈模擬。(b)隨者激發光增加發光強度非線性變化與頻寬窄化的雷射特徵量測。(c)光增益介質鈣鈦礦量子點之材料分析。(d)用連續光激發源量測之雷射光譜在不同激發功率下的光譜變化。(e)理論計算出Purcell因子光增強程度之空間分佈,計算結果顯示在角落處有最強的光放大效果。(f)雙光子相干性量測證實此奈米雷射具有時間同調性。(圖片來源自個人研究成果[10])

此奈米雷射元件結構組成如圖二(a):金膜上鍍一層僅5奈米厚的氧化鋁介電層,放上全無機鈣鈦礦量子點做為光增益介質提供光子。最後再放上銀奈米方塊,使兩金屬間形成電漿子間隙模態(gap plasmon)共振腔其共振波長在可見光波段(550nm)。當特定偏極化方向之鈣鈦礦量子點受激發放出可見光時,系統中形成光子與電漿子間隙模態耦合產生雷射光。由於此鈣鈦礦量子點具有非常好的材料結晶性,見圖二(c),可大幅降低非輻射複合之情形。加上鈣鈦礦量子點本身光增益係數高且量子發光效率高的材料優勢[11],由垂直偏極化方向的量子點結合間隙電漿子共振腔,成功實現連續光發光之量子點奈米雷射。此雷射在4K低溫下具有極低的雷射閥值(小於90 mWcm-2)。雷射光譜特性量測如圖二(b)和(d),此綠光奈米雷射可於電製冷溫度(120K)環境下工作並具有極低的雷射閥值。在量測溫度為120K下,此雷射具有低的雷射閥值,1.9 W/cm2[10]。當激發的能量高於雷射起始閥值時,發光強度非線性變化與發光頻寬劇烈變窄的變化,證明了此新型態的電漿子奈米雷射符合傳統雷射需具備的所有特徵。由圖二(a)和(e)之數值模擬結果可見,垂直偏振方向之量子點在系統中的光場,可有效地侷限在等效折射率較低且材料較無能量損耗的兩金屬間隙中,形成電漿子間隙模態共振腔,其理論計算之Purcell光增強程度之空間分佈顯示在角落處有最強的光放大效果。值得一提的是,在雙光子相干性量測實驗也證實了此量子點奈米雷射的雷射光具有時間同調性,如圖二(f)。此研究成果於2020年7月發表於美國化學學會的奈米技術期刊ACS Nano期刊,並獲選為期刊封面(DOI: 10.1021/acsnano.0c04224)。

然而此元件的缺點為無法在室溫下產生雷射,因此除了全無機鈣鈦礦半導體材料外,還有許多有趣的光增益奈米材料等待實驗學家去研究與開發。國際上研究團隊也紛紛對於不同發光材料製成的奈米雷射做了研究報導[5-9, 12]。奈米雷射不斷追求縮小其元件尺寸以提高資料儲存密度、提升數據運算速度與降低使用耗能,如何選擇適合的光增益奈米材料搭配不同的電漿子共振腔的結構設計,是製作出高效能運作的電漿子奈米雷射的重要課題。其中奈米雷射系統的光增益及系統損耗以及雷射Q值(品質因子)在元件設計上是需要分析討論的。發展不同材料組合,可以用光學理論找出最合適的結構設計。近期有機鈣鈦礦奈米材料,其光增益係數可比擬三五族半導體(~10,000cm-1)[5],且製作方式簡單,容易大量製造,目前也成為了光增益奈米材料的當紅研究標的。本文作者與國際研究團隊共同研究之有機鈣鈦礦奈米線雷射[13],相關成果近期發表於奈米能源《Nano Energy》期刊(DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104801)。

如何將奈米雷射尺寸做到更小,如何再降低使用耗能與提高其運算速度已嚴然成為一個熱門且重要的研究領域。具有突破繞射極限特性的電漿子奈米雷射,其前瞻應用包括高影像解析生物感測、人工智慧與機器學習之硬體端的開發,另外在短距高速光通訊領域更可以造就突破性的發展。科學家們除了持續解決奈米雷射遇到的基本元件物理問題之外,並積極開發各種材料,試著找到運作特性更好、可在室溫下工作、可利用電激發的電漿子奈米雷射元件。研究新穎半導體材料的光電特性與光電元件量測分析為本實驗室目前的研究方向[10, 13-20]。感謝中研院前瞻計畫與科技部計畫之經費支持。

 

參考資料

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