科技部新聞稿

發現奈米矽的超大光學非線性

-- 應用在全光學開關與超解析顯微技術

日期：109年9月8日

發稿單位：自然科學研究發展司

聯絡人：郭廷洋助理研究員

電話：02-2737-7465

E-mail：tykuo@nstc.gov.tw

臺灣的半導體及晶片設計居產業世界領先地位，主要是以自然界含量最豐富元素之一的矽元素製作出先進積體奈米電路製程。矽電子領域現階段相當傑出的研究基礎，有機會進一步擴展至矽光子領域的突破創新設計。在矽電子學領域中，關鍵是做出具有非線性，能夠用電控制電的元件，例如電晶體。同樣的，在矽光子學的領域中，用光控制光的元件，或說全光學控制元件，也是主要的關鍵。但是矽晶體本身的光學非線性效應實在太小，不足以作為有效的全光學控制應用。

在科技部的「優秀年輕學者計畫」、國際合作計畫及學門計畫的長期支持下，由台灣大學物理學系暨分子影像中心副主任朱士維教授成立國際合作團隊，結合日本大阪大學光子學中心Junichi Takahara髙原淳一教授，Katsumasa Fujita藤田克昌教授，中國暨南大學李向平教授團隊，與台灣中央研究院物理所林宮玄博士、台灣大學凝態中心張之威博士、交通大學影像與生醫光電研究所陳國平教授等共同合作。在最近兩篇發表在自然科學頂尖期刊《自然通訊》Nature Communications的研究中，利用矽奈米結構的特殊電磁共振模態，例如可以組成完整可見光光譜的奈米方塊，或是奈米圓盤中不放光的Anapole。加上光致熱效應，將矽的光學非線性效應提升了三到四個數量級，而且反應時間僅須奈秒等級。因此能夠對個別矽奈米粒子的散射光做將近100%的調制，實現GHz超快奈米全光學開關。並且創新地應用這樣的非線性，做出精度高達40奈米的遠場光學超解析顯微影像。不僅比起傳統的光學繞射極限高出一個數量級，更於世界上領先能在矽奈米結構上實現不需標記或染色的超解析技術。這些研究成果提供奈米矽光學領域嶄新的研究思路及應用潛力。

科技部長期深耕基礎研究，系統性的支持臺灣研究人員進行科學研究，推動學術攻頂、卓越領航計畫，以及本次補助的優秀年輕學者計畫等，全方位的補助優質學術團隊進行科學突破並追求學術卓越，發展關鍵技術進而推動產業發展及創造科研價值，本次發表的創新前瞻科學研發成果能夠拓展矽光子領域尖端應用。目前科技部於新一期計畫 (108-110)持續支持研究團隊發展最新的矽晶體奈米光學技術。接下來希望進一步增加矽奈米結構的非線性效應與反應速度，也將繼續研發更高解析度的材料成像技術。

研究成果聯絡人

朱士維教授

國立臺灣大學物理學系

聯絡電話(公)：02-33665131

電子郵件信箱：swchu@phys.ntu.edu.tw

Press Release

Sept. 8th, 2020

Giant Nonlinearity in Silicon nanostructures - Applications toward ultrasmall all-optical switch and super-resolution microscopy

    Silicon is the most widely used material in modern electronics industry, both in Taiwan and the world, due to its natural abundance, semiconductor/doping property, mass production, and capability to be densely integrated. It is a long-awaited goal to amalgamate photonics with the advantages of silicon, i.e. silicon photonics. In the field of electronics, the key success relies on nonlinear components, such as transistors, that can control electric signal via voltage or current, i.e. all-electric control. Similarly, in silicon photonics, light-control-light, or equivalently all-optical control, is a highly desirable function. However, the optical nonlinearity of silicon is too weak to achieve efficient all-optical control.

    Under the support of MOST “Outstanding young scientist project”, MAGIC program, and regular projects for one decade, as well as long-term support from NTU Molecular Imaging Center, Prof. Shi-Wei Chu of NTU Physics has formed an international and national collaboration team, including Prof. Junichi Takahara and Prof. Katsumasa Fujita of Osaka University, Prof. Xiangping Li of Jinan University, Dr. Kung-Hsuan Lin of Academia Sinica, Dr. Chih-Wei Chang of NTU, and Prof. Kuo-Ping Chen of NCTU. In two recent publications in top journal “Nature Communications”, they jointly revealed that silicon nanostructures, which exhibit special electromagnetic resonance mode that can enhance light interaction, plus thermally isolated nano-environment that enables efficient temperature increase, can provide 3-4 orders of magnitude enhancement of optical nonlinearity over bulk silicon. The underlying mechanism is photothermal interaction between light and silicon nanostructures, but impressively, the response time is a few orders faster than common photothermal responses, reaching nanosecond scale. The giant and fast nonlinearity allows nearly 100% all-optical modulation of scattering light from a single silicon nanoparticle, at GHz speed. Furthermore, we combine the giant nonlinearity and super-resolution techniques to realize 40-nm resolution, featuring not only one order resolution enhancement, but also label-free imaging in silicon nanostructures. These results open up a new avenue in silicon photonics, toward the goal of all-optical circuits with silicon.  

Media Contact

Shi-Wei Chu

Department of Physics,National Taiwan University

Tel: 02-33665131

e-mail：swchu@phys.ntu.edu.tw

Ting-Yang Kuo

Department of Natural Sciences and Sustainable Development, MOST

TEL: 02-27377465

Email: tykuo@nstc.gov.tw