近年來，受惠於半導體製程的成熟與進步，帶動了各式光電元件的研發技術突飛猛進與光電產業的蓬勃發展。而這些先進的製程技術，使我們對於光波的操縱手法更為精進與細緻，讓我們可以設計與製作出各種奈米結構並應用於各式光電元件中。

將所設計的光子晶體(photonic crystal)應用於雷射元件，可以形成一光子晶體面射型雷射(Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL)。與目前二款常見的傳統半導體雷射：邊射型雷射(Edge Emitting Laser, EEL)以及垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)相比，光子晶體面射型雷射具有極小的光束發散角、遠場對稱的圓形光斑、高光束品質，因此不需額外的鏡組來進行雷射光束的整形。

然而，對於雷射光束的操縱，傳統上我們仍需要額外的光學元件來實現雷射光束的偏折與產生各式所需的光斑分佈。超穎介面(metasurface)為近十年來發展迅速的一種次波長奈米結構形成的「介面光學元件」來操控光，能任意操控光波的相位、振幅、偏振、色散等特性，這些是傳統繞射光學(diffractive optics)所無法達到的。

「光子晶體面射型雷射」與「超穎介面」都是相當令人期待的破壞式創新技術，兩者皆可兼容於現今半導體製程與後端模組整合性強，可以實現化繁為簡，讓模組更簡單、元件體積更小，有效降低系統的複雜度，將會對既有產業生態產生很大的影響。

“利用「超穎介面」整合於「光子晶體面射型雷射」，能夠縮小元件體積，並且實現高效率的光束偏折與調控，以及產生任意所需的光斑分佈。”

國立陽明交通大學(NYCU)郭浩中講座教授以及玉山青年學者黃耀緯助理教授團隊與鴻海研究院(HHRI)洪瑜亨博士團隊攜手合作，共同開發一種基於光子晶體面射型雷射和超穎介面整合的超緊湊結構光產生器(structured light generator)，研究成果《Compact structured light generation based on meta-hologram PCSEL integration》已於今年六月發表在國際頂尖光電期刊Discover Nano。

“我們所開發的超緊湊結構光產生器可產生高達一萬個結構光光點。與iPhone Face ID所使用之點陣投影儀做相比，面積將可縮小約233倍。當超穎介面與光子晶體面射型雷射整合在一起時，整體元件體積將可進一步縮小約1445倍。”

圖一、我們可以設計任意圖案的光斑分佈圖案並投影出來。
利用夜視鏡觀測我們設計的紅外結構光實驗架構示意圖，如圖(a)所示。在這邊我們首先鴻海集團的logo做為設計測試，相關模擬結果如圖(b)所示。圖(c)與圖(d)分別為實際所設計的兩樣品之投影結果。

圖二、將超穎介面設計成多光束的結構光，投影於大衛石膏像上(46cm × 27cm × 18cm)。
實際的量測架構，如圖(a)所示。實際投影31個光點之效果，如圖(b)所示；投影750個光點之效果，如圖(c)所示。

圖三、藉由超薄的超穎介面，能實現模組的微型化。
我們進一步設計能夠產生高達一萬個結構光光點的超穎介面並搭配自行開發的深度感知演算法，與iPhone Face ID所使用之點陣投影儀(dots projector)做比較。大衛石膏像位於距離約60公分，Face ID 之點陣投影儀與所設計的超緊湊結構光產生器之投影與深度感知效果，如圖(a)與圖(b)所示。如圖(c)所示，黑色區塊(箭頭處)為所製作的超穎介面與 Face ID 的點陣投影儀相比。

對於整合在雷射光源上的各式超穎介面，目前的大多數研究都集中在提高超穎介面本身的效率上，且於大角度偏折時，調控效率往往不佳。這些研究也較少考慮光源和超穎介面整合時整體的光學效率。因此，我們提出一個高效率的超穎介面設計方法，用以增進最終整合元件的整體效率，從而實現從光源最上層到超穎介面之間近乎一致的功率傳輸。最終，使用砷化鎵(GaAs)所設計的超穎光柵於60°大角度偏折的效率可達59% (TE與TM模態平均結果)，研究成果《Design of high-efficiency and large-angle homo-metagratings for light source integration》已於今年七月發表在國際頂尖光電期刊Optics Express。

圖四、以超穎光柵作為最佳化設計之實施例演示。
改變組成超穎介面的超穎原子寬度，對應的穿透率與相位分佈，如圖(a)所示。當超穎光柵繞射角為49.3°，因不同相位自由度所造成的繞射效率之變化，如圖(b)所示。如圖(c)所示，在超穎光柵繞射角為49.3°的情況下，正方晶格和六角晶格兩種排列對繞射效率之變化比較。如圖(d)所示，超穎光柵與偏折角、偏振模態(TE與TM模態)定義之示意圖。除了相位自由度外，我們還能利用不同的晶格排列來最佳化超穎介面之設計，如圖(e)與圖(f)所示。

針對於上述整合超穎介面於雷射光源的相關設計與製作方法，其對應的相關專利申請，我們亦獲得相當的成果。《發光裝置及其製造方法Light emitting device and manufacturing method thereof》，公告號TWI805457B以及《发光装置及其制造方法Light emitting device and manufacturing method thereof》，公開號CN115050863A，與《半導體元件Semiconductor device》，公告號TWM638823U。其他不同地區與其對應的多件專利亦持續申請中。

“我們相信將共同的研發成果發表於國際期刊，並與未來潛在的產品密切結合，佈局對應的相關專利。展望未來，相信可以在過去台灣累積多年的半導體優勢上，定義下一個世代的創新科技。”

 

TrendForce 2023 紅外線感測應用市場與品牌策略
出刊時間: 2023年 01 月 01 日
檔案格式: PDF
報告語系: 繁體中文 /英文
頁數: 159