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Tsing Hua Optoelectronics Research Interdisciplinary Center
National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan
Reserch Group

兆赫科技卓越團隊

Consortium of Excellence for THz Science and Technology):

 

     
物理系   光電所   物理系   材料系
Prof. 潘犀靈   Prof. 黃衍介   Prof. 張存續   Prof. 嚴大任
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兆赫波 (Terahertz Radiation, 1 THz = 1012 Hz) 是頻率從約0.1 – 10 THz範圍內的電磁波的簡稱。此一頻率範圍內的電磁波與物質交互作用的相關研究具有豐富的科學內涵和廣泛的應用前景。邁入二十一世紀後,兆赫科技被世界各國視為重要的前沿領域,其進展使遠紅外領域的科學研究豁然開朗;更促進了如國土安全、遙測、生醫、製程控制與材料分析、造影與通訊等跨研究領域課題有了突破性的面貌。

本中心的宗旨是從事兆赫波與物質交互作的基礎研究,並經由掌握兆赫波的產生、偵測與操控而發展各種應用。主要成員包括潘犀靈黃衍介張存續嚴大任等,相關教師有齊正中施宙聰黃承彬等。本中心也邀集了國內從事兆赫科技研究的頂尖學者:孫啟光(台大)、許晉瑋(中大,國科會吳大猷獎)、趙如蘋(交大)、鄒志徫(交大,國科會吳大猷獎)等參加,也與多個國際團隊有進行中的合作研究。

 

(1)現有成果

過去的五年間,潘犀靈團隊曾報導了偵測頻寬超越30 THz之GaAs:As+及InP: H+光導天線,這是迄今利用離子佈植半導體製作之最高頻寬的THz偵測器,曾被用以展示第一個直接調制的THz通訊系統、傷燙傷偵測系統(台、美專利;與工研院合作)。本團隊也發展了高功率和高效率的次兆赫光子發射器(與中大許晉瑋合作),用於超寬帶脈碼無線通信,已可在W頻段(0.1 THz)以20Gb/s數率傳輸。本團隊也開創了液晶THz光子學領域(與交大趙如蘋合作),發展多項功能性液晶兆赫光電元件(台、美專利多件)。

黃衍介團隊曾發展最低閥值的兆赫波光參數振盪器。展示超輻射自由電子雷射概念,並獲得相關之美國專利。

嚴大任曾於2004年時,率先利用人工磁性之超穎材料將磁性響應由微波波段推至Terahertz的高頻範圍,成果發表於國際知名期刊 Science ,該文是兆赫科技領域2004年發表之論文中迄今被引用作多的。

張存續團隊研究磁旋返波振盪器之物理作用機制如非線性場收縮特性、非穩態與渾沌行為、線性與時變特性、與軸向模式競爭等。成果曾發表多篇於頂級物理期刊,Phys. Rev. Lett.

 

(2)目前在國內是否居頂尖地位,以及在國際學術之地位

        本中心囊括了國內從事兆赫科技跨領域研究的主要學者,均已具國際聲望;招集人潘犀靈(國科會傑出研究獎多次、傑出特約研究員獎、教育部學術獎,APS/OSA/SPIE 會士)及孫啟光教授(國科會傑出研究獎多次、IEEE/OSA/SPIE會士)國內外學術聲譽卓著。所研究前沿課題之成果均在世界領先群內。成立中心後,可望逐步成為國際高知名度之兆赫科技研究中心。

 

(3)對國家產業、社會發展之重要性及貢獻

中心成員在專利產出、產學合作與技轉方面均有良好業績。未來,除了經由重要研究成果之發表來提升我國在國際科技地位,本中心從事兆赫波無線光纖通訊、感測網路技術的研發,將對我國資訊與、光電與生醫產業產生深遠的影響。此外,本中心的研發成果也將對我國雷射加工產業、醫療產業(如輻射醫療、高解析度光譜學及國防自主能力將有重要的貢獻。

 

(4) 研發中心現有之各資源及來源

        潘犀靈團隊有完整的自建時析兆赫光譜裝置,目前正在建立可同時產生阿秒與兆赫脈衝,波長由遠紅外至軟X射線波段的高亮度光源,這將有許多科學與產業上的應用。黃衍介團隊已建立世界上最窄頻、最低閥值的兆赫波光參數振盪器及MeV 相對論電子槍,可用以注入自由電子雷射),以產生極高功率(> 107 W)的兆赫波雷射。嚴大任團隊擁有可抽真空的傅利葉轉換紅外線光譜儀,其偵測範圍可從 0.3 THz 至 750 THz,且可將紅外線訊號聚焦至微小區域內(約100 mm2)。在未來,我們將結合這兩種方式產生極高功率、窄頻的兆赫波輻射。張存續團隊長期從事高功率且同調之微波與毫米波源之研究,具有國際水準之兆赫波元件製作與量測設施。

        中心之清華成員每年由外部引入之研究經費(含國科會及產學)約 250M NTD。其他學校參與人員之自主研究經費約略與此相當。

 

(5) 對同領域研究中心現況之分析及研究中心未來之發展規劃

        兆赫科技是一個蓬勃發長的領域,國際上有非常多的相關研究群,舉例而言,美國Rensselaer Polytechnic Institute由張希成教授主持的Center for Terahertz research (http://www.rpi.edu/terahertz/),頗具規模與歷史,其重點在兆赫輻射的應用,尤其是感測與造影(Sensing and Imaging);日本福井大學的遠赤外領域開発研究センター(http://fir.u-fukui.ac.jp/)以研究高功率磁旋管(Gyrotron)毫米波源及其應用最為知名,並負責編輯Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves期刊。德國Technische Universität Braunschweig的Institut of High frequency Technologies(http://www.tu-braunschweig.de/ihf)有一個頗具規模的THz System Group,從事THz無線通訊的研究。日本大阪大學的Institute of Laser Engineering(http://www.ile.osaka-u.ac.jp/)有THz Science與THz Photonics兩個研究群,積極研究如THz超材料及元件等重要課題。

        本中心從事兆赫波與物質交互作的基礎研究,並經由掌握兆赫波的產生、偵測與操控而發展各種兆赫光學元件、系統與應用。經由加強研究設備,延聘優秀師資,國際合作與學術活動,我們預期本中心成為國際知名的兆赫科技研究中心。

 

(6)與其他學校或國際間同領域研究中心合作或整合之現況及整合後之效益

        本中心成員來自清華、交大、台大與中大,在專長上互補且包括資深與年輕而有活力的學者,成員與國際同仁互動頻繁,進行中的合作單位包括俄國科學院、比薩大學、Stanford大學、UC Davis、德國FZK、日本大阪大學與福井大學等。整合後可迅速提升我國在雷射科學與應用高頻電磁波領域的可見度,在重要研究成果與專利產、產學合作方面有更多的產出。

 

(7)領域達國際一流水準,進而帶動學校整體提升之具體方案

    為達到建立頂尖中心之目標,我們採取的具體方案如下:

     a. 建立開放實驗室提供世界級的硬軟體設施(搭配技術人員)。

     b. 增聘中心科學家,搭配博士後研究員、從事前瞻性研究。

     c. 以研討會及互訪來促進國內外的交流與合作。

     d. 以部份經費支援有時間急迫性或探索性的焦點型研究計畫。

     e. 建立產業夥伴制度,與產業界與國內外研究機構建立密切合作。

 

(8)各團隊簡介

(I)    兆赫光子科技(潘犀靈)

我們針對以光激發產生、偵測與操控兆赫波及其應用已從事全方位的研究,過去的五年間,本團隊曾報導了偵測頻寬超越30 THz之GaAs:As+及InP:H+光導天線,這是迄今利用離子佈值半導體製作之最高頻寬的THz偵測器。此類天線被用以展示第一個直接調制的THz通訊系統,用以傳輸音樂與突波訊號。與中央大學許晉瑋教授合作,我們發展了高功率和高效率的次兆赫光子發射器(Photonic THz Transmitter),這是目前從事兆赫通訊研究的關鍵元件。潘教授等也展示了兆赫波的生醫應用,與工研院合作,獲得兆赫波的傷燙傷偵測系統的中美專利。與台大孫啟光、張宏鈞教授等合作,研製了超低損耗的兆赫波波導,這被用以組成兆赫波內視鏡。潘教授及其夫人趙如蘋教授開創了液晶THz光電子學領域,並持續在世界舞台保持領先地位:如電控式的液晶THz相移器,在1 THz可調相達360度,可供次毫米波相位陣列雷達之用。其他新穎元件包括THz Lyot、Solc型濾波器和可調光子晶體THz濾波器、偏振器、相位光柵等。

拓展無線通訊至兆赫頻率波段,是兆赫光科學與技術領域研究人員的終極目標之一。以近期(5到10年)而言,考慮V帶或W帶無線光纖通訊(Wireless over Fiber)更為實際、或可稱之為超寬頻帶光纖系統(Ultrawideband-over-Fiber, or UOF)。寬頻數據信號,先以低傳播損耗與高數據容量以光纖傳輸。然後在最後一英哩,以光子兆赫發射器在自由空間中輻射傳輸給終端使用者。因此,此系統可以提供給用戶寬頻無線通訊服務。最近,我們展示超寬帶脈碼無線通信(Impulse Radio),在W頻段以12.5Gb/s數率傳輸。我們的目標是一個可用來感測與通訊的混成式光纖-兆赫波資訊網路(見下圖),它可能成為國防工業與都會型短距離區域無線通信網路之重要一環。

 

阿秒(1 as=10-18 second)與兆赫科學是現今普遍公認的前沿科學領域,阿秒光脈衝(近單週期)和兆赫脈衝(次週期)有共通的特點。它們都是超寬頻(UWB)或是多色光(polychromatic)輻射。同調時域光譜技術讓我們已可完整的描述次週期兆赫脈衝及傳輸特性。阿秒光脈衝的量測卻是十分困難的,我們將探討是否可利用兆赫科技,去計量及更進一步的深入探討時間週期短至幾十阿秒的單週期光學脈衝的物理特性。相對的,超快技術可以產生高峰值功率的兆赫光脈衝,並且讓我們可以大膽地去嚐試令人興奮的,兆赫茲非線性光電子學的新領域。

目前本團隊已在清華開始架設一台桌上型高能量阿秒脈衝雷射系統(它使用窄頻寬雷射,經過二階非線性光學過程作諧波的脈衝合成。此系統相較於其他方法有許多潛在的優勢,比如高效率、簡易、載波-波包相位穩定性、頻寬、脈衝品質等。經由高次諧波產生,我們將企圖產生短至軟X射線波段的高亮度光源,這將有許多科學與產業上的應用。在另一方面,模擬顯示我們可經由雙波長注入,在此阿秒脈衝之頻譜中產生足夠的兆赫光梳,因而得以同時產生阿秒與兆赫脈衝。如果成功,這將是非常獨特的新穎光源。

最近,高速與高功率光纖雷射已成為取代大型固態雷射產生阿秒和兆赫光脈衝的另一個可行的選擇。我們與卓越光纖公司—台灣唯一具有特製光纖與光纖拉伸製程專長的公司—已經在光纖雷射與相關技術方面有正在進行的合作關係。這些合作將允許我們發展獨特的單週期阿秒光電與兆赫光電的光纖平台,並連結清華目前從事光纖及雷射科學研究的各團隊(如光電所黃承斌等)。這樣的光纖模組也將提供關鍵技術給各種科學和工程應用。

(II)    同調兆赫波產生研究(黃衍介)

        目前,國際上兆赫波源的研究大致上分成兩個區塊:一個是同調窄頻波源的研究、一個是超短電磁脈衝的研究。我們的工作朝向前者。

          目前我們採用兩種方式產生同調、窄頻的兆赫波輻射:(1)准相位匹配混頻:這種技術是利用非線性光學產生低功率、波長可調兆赫波輻射。(2)超輻射自由電子雷射:這種技術是用來產生極高功率(> 107 W)的兆赫波雷射。

在未來,我們將結合這兩種方式產生極高功率、窄頻的兆赫波輻射。具體地說,就是將第一種方式產生的低功率兆赫波源當作一個種子光源、注入第二種方式之中來完成一具極高功率、窄頻的兆赫波自由電子雷射。這個研究不但對同調兆赫波源的開發及應用具有重要意義,同時極高功率的兆赫波輻射也將開展兆赫波非線性光學的研究。

(1)現有成果

(i) 准相位匹配混頻: 相關實驗成果已經發表三篇期刊論文及五篇以上國際會議論文。重要貢獻包括完成世界上最窄頻、最低閥值的兆赫波光參數震盪器。

超輻射自由電子雷射:相關理論及部分實驗已經發表在4篇期刊論文及7篇以上國際會議論文。重要貢獻包括提出THz laser pulse train photoinjector及其驅動之電子輻射源,目前已經獲得美國專利權。

(ii) 以下是已經架設完成或架設中的實驗照片:

    MeV 相對論電子槍(用來注入自由電子雷射)   世界上最窄頻、最低閥值的兆赫波光參數震盪器

(III)    兆赫波段之超材料及微型化元件(嚴大任)

由於自然界中的材料受限材料本質的特性,只能在某些局限頻段才具有電磁響應。如今,我們可以藉由使用人工結構性的超穎材料(Metamaterials)來延伸材料的電磁響應範圍,進而突破天然材料的本質限制以產生如人工電漿、人工磁偶極、負折射係數、超級透鏡與隱形斗篷等改寫四百多年來光學理論的革新電磁響應。也因此超材料在未來應用上,無論是通訊、光學影像、生物偵測或者是國家安全等相關領域,皆極具發展潛力!更甚者,超穎材料在 300 GHz~10 THz 的頻率範圍具有突出的可調變性之電磁響應,適合發展各種新擬兆赫光學元件。嚴大任曾於2004年時,率先利用人工磁性之超材料將磁性響應由微波波段推至Terahertz的高頻範圍,甚至具有負透磁率等特性,所以當時以第一作者之身分將其成果發表於國際知名期刊 Science上,目前該論文已被引用四百餘次,為terahertz science and technology領域中, 近五年內被引用次數最多的論文(http://thznetwork.lbl.gov/index.php/vj/mostcited)。

近兩年內,嚴大任團隊,陸續在國際知名期刊發表了十餘篇研究成果,也建立了一套可在兆赫頻段及紅外線頻段的實驗量測系統(如下圖)。

世界上最窄頻、最低閥值的兆赫真空型傅利葉轉換紅外線光譜儀,其偵測範圍可從 0.3 THz 至 750 THz。擁有可抽真空的特性,並搭配高靈敏度的熱輻射偵測儀以偵測兆赫訊號。

微型傅利葉轉換紅外線光譜儀,可將紅外線訊號聚焦至微小區域內。

另外,嚴大任團隊目前正與 Agostino Monorchio 博士(Laboratorio Nazionale MDM, CNR)以及 Enrico Prati 教授所領導之比薩大學之研究團隊進行為期兩年之國際合作,結合比薩大學實驗室專精的奈米結構材料研究以及電腦模擬技術(基因演算法),共同研發兆赫頻段之高品質因子超材料濾波器。而本實驗室目前也計畫開發兆赫頻段之對掌性超材料(chiral metamaterials),利用超材料特殊設計之人造結構可比一般自然界晶體擁有更強大的對掌特性(chirality),進而設計及製造微型化、平面化的兆赫波波片,並且可使左旋或右旋極化光擁有異於自然界之負折射現象!

(IV)    高功率可調頻兆赫波源研究(張存續)

最近幾年隨著兆赫波源的快速發展,相關的物理與工藝進展神速,特別是在低功率、非同調波源上,已經有很多的應用。然而,高功率且同調兆赫波源的研發,就遠遠落後。主要的原因是缺乏適當輻射源與太赫茲元件。放眼望去,要滿足頻率可調與高功率這兩個條件以磁旋返波震盪(gyrotron backward-wave oscillator, gyro-BWO)為最佳。我們的主要工作是研究頻率可調兆赫波源之物理與發展相關的兆赫元件。

磁旋返波震盪器,操作頻率是可調整的。它頻率調整可藉由改變磁場或者操作電壓在一個非共振的作用結構上。發展兆赫磁旋管,關鍵在於對其互作用物理機制的了解深入與否,這些清華已有很好的根基。然而,除了最難的物理機制外,要建立一個實驗系統,我們尚需要下面幾項能力與技術:1.實驗量測與診斷 2. 兆赫模式轉換器3.電子槍4.磁鐵系統。從上述,我們發現要到兆赫領域,我們已有能力達成第二項與第三項。這是在實驗能力上的兩大優勢。然而,我們缺乏0.1 THz以上的診斷設備與經驗,更重要的是我們沒有適當的超導磁鐵。與國外合作是獲取知識與經驗的最佳手段。

磁旋返波震盪器之物理作用機制如非線性場收縮特性、非穩態與渾沌行為、線性與時變特性、與軸向模式競爭都已經相繼發表四篇論文在Physical Review Letters。然而,為了發展高頻兆赫波,操作在高次模式是勢在必行,同時也必須研發新型電子槍。相關實驗成果已發表四篇在Applied Physics Letters。最近五年已發表25篇論文。

作用結構含新型模式選擇器照片

0.2 THz 頻率可調波源

 

(9)目前在國內是否居頂尖地位,以及在國際學術之地位

清華大學是國內唯一有電子迴旋輻射之實驗系統。在國際上,我們已慢慢打出屬於自己的學術地位。目前合作對象除了日本Fukui、俄羅斯IAP, Russian Academic of Science、德國FZK、美國UC Davis等。從2005年迄今已經有7次國際/國內會議的邀請演講。

 

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