以色列理工學院學者研發的 出利用高品質微型垂直共振腔面射型雷射的晶片級原子鐘

以色列理工學院 (Technion – Israel Institute of Technology)電機與電腦工程學院的研究學者們協同奈米電子中心所屬微奈米製造組，攜手共同研發出適用於晶片級原子鐘的特殊垂直共振腔面射型雷射 (vertical cavity surface emitting laser, VCSELs)。歸功於其極小的體積 (一粒鹽中可以放入一千個)，垂直共振腔面射型雷射具有高能源效率，滿足了利用電池驅動的移動式原子鐘所需的關鍵特性。

原子鐘是最精準的人造機械，其適用於許多基礎科學與眾多應用，僅舉數例，如： GPS 導航、通訊與運算系統同步以及國防科技如鐵穹防禦系統等。最精準的時鐘通常是極為龐大的系統，僅能在世界上少數幾個國家級實驗室中可以看到。這樣的時鐘預期會在比宇宙生命週期更長的時間內有著一秒鐘的誤差。銫噴泉鐘 (cesium fountain clock) 是較常見的裝置，且其普遍被使用來定義一秒的單位量。小型晶片級原子鐘的研發是為了實現極小、價格低廉、移動式且高準確度的時間量測。這些由電池驅動的時鐘將能夠在一萬年內僅有一秒誤差，而這個核心技術關鍵是在以色列理工學院最近開發的特殊垂直共振腔面射型雷射。

這種特殊垂直共振腔面射型雷射有著許多難以實現的特性，其中包含了針對激發雷射光顏色、形狀與偏振等特性的超高精準度控制，以及在極高溫度下操作的能力。以色列理工學院成功開發出了滿足這些特性的垂直共振腔面射型雷射，其性能超越了目前市面上現有最佳商業產品。

此垂直共振腔面射型雷射的研發是以色列創新局 (Israel Innovation Authority, IIA) 所補助的產學聯盟發展計畫。除了以色列理工學院外，還包含了 NVIDIA、SCD、Civan、Accubeat、PCB 與耶路撒冷希伯來大學。此計畫緣起於以色列創新局認為開發垂直共振腔面射型雷射將對於以色列工業發展扮演著顯著地位，且因以色列理工學院與 NVIDIA以色列分公司 (前身為 Mellanox) 之間早就有著長期合作關係。根據該校網站：此重大突破仍是要歸功於以色列理工學院本身卓越科學與科技成就的基礎。

在此產學聯盟內的以色列理工大學研究人員包含了同屬於電機與電腦工程學院的 Meir Orenstein 教授、Gadi Eisenstein 教授與 Mordechai (Moti) Segev 教授。現職為奈米科技研究所所長與微奈米製造組負責人 Eisenstein 教授表示，這項研究案中的關鍵人物是垂直共振腔面射型雷射研究領域的知名人物 Orenstein 教授，他設計材料結構與其製程步驟，並且主導製程實現過程。本文章認為，微奈米製造組團隊展現出了能媲美擁有最先進設備的商業製造商的開發先進裝置能力。

除了原子鐘應用外，該聯盟持續致力於開發不同應用類型的垂直共振腔面射型雷射。NVIDIA 帶領了一個發展高速垂直共振腔面射型雷射於資料傳輸應用的團隊，SCD 則是負責高功率垂直共振腔面射型雷射陣列開發，此計畫分成兩個部分，Orenstein 教授開發基於他的研究成果所發明的同調性垂直共振腔面射型雷射陣列 (coherent VCSEL array)，其能夠同時連結數百個垂直共振腔面射型雷射，藉此來產生高亮度光束。另一個計畫則是拓撲垂直共振腔面射型雷射 (topological VCSELs)，其獨特之處在於不受外部干擾的能力，其是由拓撲雷射的發明者 Mordechai (Moti) Segev 教授進行開發中。

1970 年代初期， Izhak Kidron 教授將微電子研究帶入了以色列理工學院。至於半導體設備製造則是從 1973 年戰爭後開始，當時以色列理工學院為了解決沒有國家願意提供給以色列紅外線偵測系統的問題，開始獨力踏入研發。隨著成功開發出這些設備後，開啟了以色列微電子領域的起點。之後以色列理工學院的微奈米電子相關發展持續成長，被認為是以色列電子工業蓬勃發展的搖籃。

目前以色列理工學院的製程設備隸屬於奈米電子中心所屬之微奈米製造組，擁有 700 平方公尺無塵室，使其成為以色列大學中最大的設備中心，為共同使用之貴重設備，支援許多學術研究人員、研究生與工業研究人員。根據該校提供之原文，此中心提供完善的微米與奈米製造工具，優秀的工程人員協助製程與原型開發。同時兼備學術專業、彈性與創造力，並且能夠達到工業界所需的高效能標準。

資料來源：

https://www.technion.ac.il/en/2023/02/technion-makes-vcsels/