【積體光路系列六】超快LED光源

■利用光子取代電子在積體電路裡面進行運算，是目前學界及業界努力的目標。由於光子的運算速度快、頻寬大，因此當未來積體電路到達極限時，就是光學運算天下了，但要把光學運算整合到晶片裡還存在許多挑戰，詳見《積體光路系列》，系列六我們就來談談除了雷射之外的另一種光源：LED。

撰文｜方程毅

在晶片中不管是運算或通訊，講求的都是速度，也就是0跟1的轉換所需的時間。若是0跟1之間的轉換速度能增加100倍，晶片運算速度便能增加100倍。積體光路中的1跟0就是「有光」跟「沒光」，因此若是一個光源能迅速的在明暗之間做轉換，就可能是光源的候選人。

能用來做光源的一般來說是雷射及LED，雷射的發光機制是透過受激發射(stimulated emission)，是一個具同調性(coherence)且波長單一的光束，適合用於長距離且精密的訊號傳輸；而LED發光機制是自發發射(spontaneous emission)，LED因為發光波長不單一，是一整個波段且不具同調性，因此通常用於短距離傳輸，雖然LED看似性質比較差，但因為自發發射是一個普遍存在且易於利用的機制，因此相較於雷射運用起來彈性較大。

在通訊及運算的應用上，無論是雷射或是LED，我們都希望光源能夠發出時間很短的脈波(pulse)，脈波時間越短，就能將更多訊號塞在一段時間內，但脈波再短終究有其限制，例如雷射脈波可以做到只有100飛秒(femtosecond, )，也就是一秒內可以明暗變化 次(THz等級)；但LED光源，通常只有10奈秒(nanosecond, )，頻率只有MHz等級。脈波有一定的時間長度也代表其都有一個生命週期(lifetime)，讓這個生命週期越短就可以在同一段時間盡進行更快速的0,1轉換，運算速度就會提升。

美國杜克大學(Duke University) Maiken Mikkelsen教授實驗室最近便研發出一種特殊結構，讓QDLED(quantum dot LED)的生命週期縮短880倍，這項研究成果發表在《自然‧通訊》(Nature Communications)，並獲得Phys.Org網站報導。QD即為量子點，簡單來說就是將材料做到非常小，其能階就會被量子化，這個研究使用的材料為硒化鎘/硫化鋅(CdSe/ZnS)，大小約為6奈米，是一種有能力發光的奈米結構，本身發光的生命周期大約為9.7奈秒；Maiken Mikkelsen教授將這些量子點放鋪在金(Au)上，上面再放上一顆一顆銀(Ag)的奈米正方體(邊長75奈米)，這樣的結構下，實驗結果發現發光生命週期縮短到只有11皮秒(picosecond, )，生命週期縮短880倍，也代表運算速度能大幅增加880倍。

會有這個效果是因為奈米的金屬銀本身有電漿子(plasmonics)，電漿子是金屬表面自由電子集體震盪的行為，可視為一個共振腔，這個共振腔可以加速量子點自發發射的速率[註]，自發發射的速率快就代表發光的生命週期變短。不僅如此，這個結構還可以增加量子點的發光效率及發光的方向性，這在通訊中也是很重要的兩個性質。

其中一位執行此項計畫的博士後研究員Gleb Akselrod表示：「將短距離資料傳輸的光源從雷射光換成LED有許多好處，但長久以來LED由於發光生命周期過長、發光效率差且發光沒有方向性，所以無法被使用。」「現在我們往成功又邁進了一大步。」

雖然這項研究被寫在積體光路系列中，但跟前面幾個系列相比，距離整合進現有技術還有很大一段距離，因為半導體製程還是以矽為主，這項研究用到的材料都不是目前半導體製程中會用到的材料及製備方法。量子點的發光也都還在研究階段，因此這項研究是在為遙遠的未來鋪路，讓我們知道使用自發發光的LED光源有朝一日也能作用高速運算之用。

最後，如果身為讀者的你將這篇耐心看完，卻發現很多的地方看不懂，請別氣餒，這很正常，因為這些研究都是奠基在大量的背景知識之上，並不是三言兩語可以解釋清楚的。如果你有具備一些背景知識，不妨上網查查內文中提及的專有名詞，你會更了解這些研究的內涵；如果你不具備相關背景，那至少記得這個重點「光學通訊及運算的目標就是要快，所以才需要光源也快，但LED本身比雷射慢很多，所以讓LED速度變這麼快才會如此有價值。」

【註】 這個現象稱為 Purcell Effect，1940年代Edward Mills Purcell所發現。

 原始論文與圖片出處：
Hoang, Thang B., Gleb M. Akselrod, Christos Argyropoulos, Jiani Huang, David R. Smith, and Maiken H. Mikkelsen. "Ultrafast spontaneous emission source using plasmonic nanoantennas." Nature Communications 6 (2015).

參考資料：

1. Akselrod, Gleb M., Christos Argyropoulos, Thang B. Hoang, Cristian Ciracì, Chao Fang, Jiani Huang, David R. Smith, and Maiken H. Mikkelsen. "Probing the mechanisms of large Purcell enhancement in plasmonic nanoantennas."Nature Photonics (2014).
2. Revving up fluorescence for superfast LEDs: Researchers set speed record for molecular fluorescence
3. Superfast fluorescence sets new speed record

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。