國立陽明交通大學與鴻海研究院的跨領域研究團隊，近日發表一項突破性的光通訊技術，成功將超穎介面（metasurface）與光子晶體面射型雷射（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）進行首次的「單晶片式整合」（monolithic integration）。這項創舉克服了傳統光學系統的體積龐大和複雜對位問題，打造出前所未有的超輕巧、高效率功能性雷射元件，並已成功驗證其在 3D感測結構光光達(Structural Light Lidar)及偏振多工（Polarization-Division Multiplexing）自由空間光通訊（Free Space Optical Communication, FSO）系統上的重要應用，預計將為次世代感測及光通訊技術帶來革命性變革。

圖一、Meta-PCSEL元件及其上方metasurface的SEM圖。

突破傳統框架，實現晶片級微型化光學系統
隨著人工智慧（AI）與物聯網（IoT）生態系統的數據流量呈指數級成長，市場對能處理龐大數據、低延遲的光通訊技術需求日益迫切。傳統的射頻（RF）技術因頻寬受限和頻譜擁擠而難以應付，使得自由空間光通訊（OWC/FSO）成為一個極具潛力的解決方案。同時，在智慧型手機、XR裝置、機器人等消費性電子產品對3D感測的需求激增下，如何將複雜的光學投影系統微型化、並降低功耗，成為業界的關鍵挑戰。然而，現有系統多半依賴分立式元件組裝，不僅體積龐大，且需要精密的對準才能運作 。

由陽明交大講座教授暨鴻海研究院半導體所所長郭浩中所長領軍，聯合陽明交大黃耀緯副教授及鴻海研究院半導體所洪瑜亨博士團隊，將超穎介面直接整合於PCSEL晶片上，創造出業界首創的「單晶片整合式超穎介面-PCSEL」（meta-PCSEL）元件 。這種單晶片整合設計，不僅將元件體積大幅縮小，更消除了複雜的光學組裝和對位挑戰，為3D感測及光通訊系統的微型化奠定基礎 。

3D感測與偏振多工，展現多元應用潛力
研究團隊透過設計不同功能的超穎介面，成功開發出兩項關鍵應用：

• 3D感測與結構光投射： 團隊將超穎介面設計為「全像式超穎介面」（meta-hologram），可將PCSEL雷射光束精準投射成複雜的結構光圖案。此元件的體積僅有 0.025 mm3 ，相較於商用DOE-VCSEL陣列方案（如iPhone的Face ID系統），體積縮小了驚人的 2450倍 。此外，其功耗也比市售VCSEL陣列方案降低超過 28.7% 。儘管在實驗中因製程挑戰導致光斑略有畸變，但該元件仍能成功執行單次拍攝的深度感測任務，證明了其在人臉辨識、XR裝置等消費性電子領域的巨大潛力 。該成果 《Monolithically Integrated Metasurface on a PCSEL for Depth Perception》也發表在國際知名期刊Nano Letters上，並獲選為期刊封面。

圖二、Nano letters期刊封面、與其他模組體積比較圖及深度感測之結果

• 偏振多工自由空間光通訊： 團隊利用超穎介面實現良好的偏振控制能力，使其能同時發射兩個具有相反圓形偏振狀態的光束 。這種設計無需額外的光學元件，即可實現雙通道的偏振多工傳輸，有效提升通訊頻寬 。該meta-PCSEL元件展現出卓越的通訊性能，每個偏振通道的調變頻寬皆超過 2.5 GHz，數據傳輸速率可達 1.3 Gbit/s 。此外，相較於傳統PCSEL，該整合元件在不同溫度下也展現出更穩定的光譜特性，具備更佳的熱穩定性，有利於提升嚴苛環境中的穩定性。該研究成果《Compact Polarization-Multiplexed Optical Transmitters through the Monolithic Integration of Metasurface and Photonic Crystal Surface-Emitting Lasers》已發表在國際知名期刊ACS photonics上。

圖三、整合元件的偏振多工多通道自由空間光傳輸結果

未來展望：實現更高效率與更多元功能
這項單片式整合的meta-PCSEL技術，不僅代表著光學元件微型化的重大進展，更為結合主動式光源與先進波前操控技術的整合式光子系統鋪平了道路，預示著一個更輕巧、高效、多功能的未來。這項技術可望應用於資料中心、雲端運算、自駕車、智慧機器人、虛擬/擴增實境及量子運算等廣泛領域，為台灣在全球光電產業的競爭力注入強勁動能。

TrendForce 2025 紅外線感測應用市場與品牌策略
出刊時間: 2025年 01 月 01 日
檔案格式: PDF / EXCEL
報告語系: 繁體中文 / 英文
頁數: 184