盧廷昌 Tien-Chang Lu

超越繞射極限：表面電漿子奈米雷射的研究

近年來，AI應用的崛起推動了對高速計算機和數據中心更強大計算能力的需求，人們積極尋找具有小尺寸和低功耗的雷射光源，以實現高密度整合元件與高速平行信號處理的能力，但傳統半導體雷射受限於繞射極限，其尺寸無法和持續微縮的電晶體電路匹配，在過去幾年中，我們研究團隊成功展示了具有奈米尺度及穩定運行能力的二維表面電漿子奈米雷射，可在80°C的高溫下正常運作，我們進一步降低表面電漿的自由度可強化電場侷限，創造極小模態體積的共振腔，我們在銀基板上利用溝槽結構，並將奈米線放置其上，金屬溝槽的邊緣形成了一維表面電漿模態，其模態體積比繞射極限小五個數量級。

我們接著更降低表面電漿的自由度至零，形成局域表面電漿，透過使用微小的金屬奈米孔作為共振腔，並以磷化銦奈米線作為增益介質，成功展示了可在通訊波長範圍內於室溫運作的局域表面電漿奈米雷射，同時，利用兩個緊密間隔的金屬奈米孔，我們實現了全球首個強耦合奈米雷射，展現了在高密度感測與光子積體電路應用上的巨大潛力。

為了調控表面電漿子奈米雷射的特性，我們將二維材料整合至現有的奈米雷射結構中，提出石墨烯–絕緣體–金屬結構，結合奈米線製造出具有優異特性的奈米雷射。在此結構的基礎上，我們實現了全球首個透過閘極電流或以電壓調制來調控的奈米雷射，透過打破時間對稱性，改變雷射的閾值條件，實現雷射的開關控制。這些成果，在生物感測、光儲存、次波長成像和光連結等多種應用極具潛力!