近年来，受惠于半导体制程的成熟与进步，带动了各式光电元件的研发技术突飞猛进与光电产业的蓬勃发展。而这些先进的制程技术，使我们对于光波的操纵手法更为精进与细致，让我们可以设计与制作出各种奈米结构并应用于各式光电元件中。
将所设计的光子晶体（photonic crystal）应用于雷射元件，可以形成一光子晶体面射型雷射（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）。与目前二款常见的传统半导体雷射：边射型雷射（Edge Emitting Laser, EEL）以及垂直共振腔面射型雷射（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL）相比，光子晶体面射型雷射具有极小的光束发散角、远场对称的圆形光斑、高光束质量，因此不需额外的镜组来进行激光束的整形。
然而，对于激光束的操纵，传统上我们仍需要额外的光学元件来实现激光束的偏折与产生各式所需的光斑分布。超颖界面（metasurface）为近十年来发展迅速的一种次波长奈米结构形成的“界面光学元件”来操控光，能任意操控光波的相位、振幅、偏振、色散等特性，这些是传统绕射光学（diffractive optics）所无法达到的。
“光子晶体面射型雷射”与“超颖界面”都是相当令人期待的破坏式创新技术，两者皆可兼容于现今半导体制程与后端模块整合性强，可以实现化繁为简，让模块更简单、元件体积更小，有效降低系统的复杂度，将会对既有产业生态产生很大的影响。
“利用“超颖界面”整合于“光子晶体面射型雷射”，能够缩小元件体积，并且实现高效率的光束偏折与调控，以及产生任意所需的光斑分布。”
台湾地区阳明交通大学（NYCU）郭浩中讲座教授以及玉山青年学者黄耀纬助理教授团队与鸿海研究院（HHRI）洪瑜亨博士团队携手合作，共同开发一种基于光子晶体面射型雷射和超颖界面整合的超紧凑结构光产生器（structured light generator），研究成果《Compact structured light generation based on meta-hologram PCSEL integration》已于今年六月发表在国际顶尖光电期刊Discover Nano。
“我们所开发的超紧凑结构光产生器可产生高达一万个结构光光点。与iPhone Face ID所使用的点阵投影仪做相比，面积将可缩小约233倍。当超颖界面与光子晶体面射型雷射整合在一起时，整体元件体积将可进一步缩小约1445倍。”
图一、我们可以设计任意图案的光斑分布图案并投影出来。
利用夜视镜观测我们设计的红外结构光实验架构示意图，如图（a）所示。在这边我们首先鸿海集团的logo做为设计测试，相关模拟结果如图（b）所示。图（c）与图（d）分别为实际所设计的两样品的投影结果。
图二、将超颖界面设计成多光束的结构光，投影于大卫石膏像上（46cm × 27cm × 18cm）。
实际的量测架构，如图（a）所示。实际投影31个光点的效果，如图（b）所示；投影750个光点的效果，如图（c）所示。
图三、通过超薄的超颖界面，能实现模块的微型化。
我们进一步设计能够产生高达一万个结构光光点的超颖界面并搭配自行开发的深度感知算法，与iPhone Face ID所使用的点阵投影仪（dots projector）做比较。大卫石膏像位于距离约60公分，Face ID的点阵投影仪与所设计的超紧凑结构光产生器的投影与深度感知效果，如图（a）与图（b）所示。如图（c）所示，黑色区块（箭头处）为所制作的超颖界面与Face ID的点阵投影仪相比。
对于整合在雷射光源上的各式超颖界面，目前的大多数研究都集中在提高超颖界面本身的效率上，且于大角度偏折时，调控效率往往不佳。这些研究也较少考虑光源和超颖界面整合时整体的光学效率。因此，我们提出一个高效率的超颖界面设计方法，用以增进最终整合元件的整体效率，从而实现从光源最上层到超颖界面之间近乎一致的功率传输。
最终，使用砷化镓（GaAs）所设计的超颖光栅于60°大角度偏折的效率可达59% （TE与TM模态平均结果），研究成果《Design of high-efficiency and large-angle homo-metagratings for light source integration》已于今年七月发表在国际顶尖光电期刊Optics Express。
图四、以超颖光栅作为最佳化设计的实施例演示。
改变组成超颖界面的超颖原子宽度，对应的穿透率与相位分布，如图（a）所示。当超颖光栅绕射角为49.3°，因不同相位自由度所造成的绕射效率的变化，如图（b）所示。如图（c）所示，在超颖光栅绕射角为49.3°的情况下，正方晶格和六角晶格两种排列对绕射效率的变化比较。如图（d）所示，超颖光栅与偏折角、偏振模态（TE与TM模态）定义的示意图。除了相位自由度外，我们还能利用不同的晶格排列来最佳化超颖界面的设计，如图（e）与图（f）所示。
针对于上述整合超颖界面于雷射光源的相关设计与制作方法，其对应的相关专利申请，我们亦获得相当的成果。《发光装置及其制造方法Light emitting device and manufacturing method thereof》，公告号TWI805457B以及《发光装置及其制造方法Light emitting device and manufacturing method thereof》，公开号CN115050863A，与《半导体元件Semiconductor device》，公告号TWM638823U。其他不同地区与其对应的多件专利亦持续申请中。
“我们相信将共同的研发成果发表于国际期刊，并与未来潜在的产品密切结合，布局对应的相关专利。展望未来，相信可以在过去台湾地区累积多年的半导体优势上，定义下一个世代的创新科技。”
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出刊时间： 2023年01月01日
文件格式： PDF
报告语系： 繁体中文 /英文
页数： 159
