发现纳米硅结构中的超大光学非线性

硅是自然界含量最丰富的元素之一，由于其半导体特性以及纳米集成电路制程的发达，硅也是目前中国乃至于全世界电子工业中应用最广泛的元素。在硅电子学领域中，关键是做出具有非线性、能够用电控制电的组件，例如晶体管。同样的，用光控制光的组件，或者说全光学控制组件，也是硅光子学领域中的关键。但是硅晶体本身的光学非线性效应实在太小，不足以作为有效的全光学控制应用。一般来说，为了产生足够的光学非线性，需要增加光与硅晶体的交互作用长度，但这也损害了其器件的可集成性。

近日，台湾大学朱士维教授在提升纳米硅的光学非线性取得重大进展，相关论文发表在Nature Communications。此研究结合日本大阪大学光子学中心Junichi Takahara、Katsumasa Fujita，与台湾中研院物理所林宫玄博士、台湾大学凝态中心张之威博士、台湾交通大学陈国平教授等共同合作。其突破关键在于应用硅的高折射率特性，可在纳米尺度上作为全电介质天线，产生多种电磁共振模式，大幅增强光与硅的交互作用。再加上光致热效应，以及降低周围介质的热传导系数，可以使硅纳米结构的温度快速上升。因此造成折射率改变，回过头来影响其共振模式，造成硅纳米结构的散射光强度产生巨大的改变。其等效光学非线性效应，和原本的硅比起来提升了大约五个数量级之多。

基于这样巨大的非线性效应，研究团队实现了在个别硅纳米粒子以光控制光的应用，能够将散射光做将近100%的调制。更特别的是，一般来说光致热效应的反应时间相当慢。但是该团队发现，在纳米尺度下热传导时间可以大幅降低，达到纳秒等级，因此可以实现GHz超快纳米全光学开关。

图1. 在多种不同大小组合的硅纳米结构上，都能产生巨大的光热非线性效应。其现象具体来说，如中央图所示，在增加激发光源强度 (Exc.) 时，纳米结构的散射光 (Sca.) 的改变并非遵循线性，会产生超线性或是亚线性的各种可能性。这样的非线性可以用来实现如右图所示的全光学开关，也就是用橘色的调制光 (modulation)，大幅改变绿色光的散射输出强度 (output)。

在应用面向，除了全光学开关之外，近年来光学领域的重大进展之一是超解析显微技术的发展，曾获得2014诺贝尔化学奖的表彰。但是传统的超解析技术依赖荧光分子的非线性特性，一般来说无法直接应用到材料研究上。该团队在此研究中更进一步，创新地应用硅纳米结构的巨大非线性效应，实现以散射光为对比，不需荧光染色且分辨率能够大幅提升的远场光学超解析显微影像。

此外，值得一提的是，这样的光热非线性与全光学调控概念可以推广到其他形貌的硅结构。例如硅纳米圆盘可以产生一种吸收特别强且不发光的共振模态，称为anapole。朱士维教授与暨南大学光子技术研究院李向平教授和张天悦副研究员共同合作，发现具有anapole的结构不仅可以进一步加强光学非线性效应，更可以做出精度高达40纳米的远场光学超解析显微影像。近期也发表在Nature Communications 上（Nat. Commun., 2020, 11, 3027）。作者相信同样的光热非线性概念未来也可以应用在其他和半导体工艺兼容的高折射率电介质材料，为现有的硅基光子学和光电组件的设计应用提供一个全新的思考方向。

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Giant photothermal nonlinearity in a single silicon nanostructure

Yi-Shiou Duh, Yusuke Nagasaki, Yu-Lung Tang, Pang-Han Wu, Hao-Yu Cheng, Te-Hsin Yen, Hou-Xian Ding, Kentaro Nishida, Ikuto Hotta, Jhen-Hong Yang, Yu-Ping Lo, Kuo-Ping Chen, Katsumasa Fujita, Chih-Wei Chang, Kung-Hsuan Lin, Junichi Takahara, Shi-Wei Chu

Nat. Commun., 2020, 11, 4101, DOI: 10.1038/s41467-020-17846-6

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發現奈米硅結構具有超大光學非線性

硅是自然界含量最豐富的元素之一，由於其半導體特性以及奈米集成電路製程的發達，硅也是目前中國乃至於全世界電子工業應用最廣泛的元素。在硅電子學領域中，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，用光控制光的元件，或說全光學控制元件，也是硅光子學領域中的關鍵。但是硅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。一般來說，為了產生足夠的光學非線性，需要增加光與硅晶體的交互作用長度，但這也损害了其器件的可集成性。

近日，台灣大學朱士維教授在提升奈米硅的光學非線性取得重大進展，相关论文發表在Nature Communications。此研究結合日本大阪大學光子學中心Junichi Takahara、Katsumasa Fujita，與台灣中研院物理所林宮玄博士、台灣大學凝態中心張之威博士、台灣交通大學陳國平教授等共同合作。其突破關鍵在於應用硅的高折射率特性，可在奈米尺度上作為全電介質天線，產生多種電磁共振模式，大幅增強光與硅的交互作用。再加上光致熱效應，以及降低周圍介質的熱傳導係數，可以使硅奈米結構的溫度快速上升。因此造成折射率改變，回過頭來影響其共振模式，造成硅奈米結構的散射光強度產生巨大的改變。其等效光學非線性效應，和原本的硅比起來，提升了大約五個數量級之多。

基於這樣巨大的非線性效應，研究團隊實現了在個別硅奈米粒子以光控制光的應用，能夠將散射光做將近100%的調制。更特別的是，一般來說光致熱效應的反應時間相當慢。但是该团队發現，在奈米尺度下熱傳導時間可以大幅降低，達到奈秒等級，因此可以實現GHz超快奈米全光學開關。

圖1. 在多種不同大小組合的硅奈米結構上，都能產生巨大的光熱非線性效應。其現象具體來說，就是如中央圖所示，在增加激發光源強度 (Exc.) 時，奈米結構的散射光 (Sca.) 的改變並非遵循線性，會產生超線性或是亞線性的各種可能性。這樣的非線性可以用來實現如右圖所示的全光學開關，也就是用橘色的調制光 (modulation)，大幅改變綠色光的散射輸出強度 (output)。

在應用面向，除了全光學開關之外，近年來光學領域的重大進展之一是超解析顯微技術的發展，曾獲得2014諾貝爾化學獎的表彰。但是傳統的超解析技術仰賴螢光分子的非線性特性，一般來說無法直接應用到材料研究上。该团队在此研究中更進一步，創新地應用硅奈米結構的巨大非線性效應，實現以散射光為對比，不需螢光染色且解析度能夠大幅提升的遠場光學超解析顯微影像。

此外，值得一提的是，這樣的光熱非線性與全光學調控概念可以推廣到其他形貌的硅結構。例如硅奈米圓盤可以產生一種吸收特別強且不放光的共振模態，稱為anapole。朱士維教授與暨南大学光子技术研究院李向平教授和张天悦副研究员共同合作，發現具有anapole的結構不僅可以進一步加強光學非線性效應，更可以做出精度高達40奈米的遠場光學超解析顯微影像。近期也發表在Nature Communications（Nat. Commun., 2020, 11, 3027）。作者相信同樣的光熱非線性概念未來也可以應用在其他和半導體工藝相容的高折射率電介質材料，為現有的硅基光子学和光電元件的設計應用提供一個全新的思考方向。