拓撲光電元件登場 開啟量子世界契機
國家實驗研究院113年研發服務平台亮點成果獎-優等獎-薛文証教授
研發服務平台亮點成果獎 - 優等獎
薛文証 教授/國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系
- 亮點成果：前瞻高性能拓撲光電元件設計開發
- 使用平台：台灣儀器科技研究中心 (TIRI) - 光學系統整合研發聯盟平台
2016年諾貝爾物理獎頒發給研究拓撲物質的三位學者，他們開啟了量子世界的嶄新面向。奠基於拓撲學的長足進展，眾多科學家紛紛將相關理論導入電子元件、半導體等應用材料中，從而拓展出資訊科技的無限可能。國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系教授薛文証便是其中一員，他近年來鑽研拓撲特性，將共軛拓撲幾何概念導入光子晶體結構中，因而設計出同時兼具高性能與穩健性的拓撲光電元件，例如拓撲光子濾波器、濾波器光子感測器、拓撲光吸收器及光開關等，可望應用於新一代光通訊技術中。
從造船到半導體領域
令人訝異的是，在拓樸元件上發表許多突破性研究，並屢獲頂尖期刊肯定的薛文証，在過去求學時期卻是投入與現今截然不同的領域－造船。1970年代，臺灣展開十大建設，為了因應國輪國造人才的需求，1976年臺灣大學成立造船工程學系，薛文証因緣際會成為該系第一屆學生，並一路獲取碩士、博士學位及擔任教職，也曾前往美國麻省理工學院、加州大學柏克萊分校訪問研究。
然而隨著時代變遷，國內造船人才需求逐年減少，使得臺大造船系面臨轉型。薛文証當時也提出建言，認為基於海洋工程，系所應參考國外經驗，將課程與研究領域進一步擴展到工程科學，培養人才以作為科學與工程之間的橋梁，因應臺灣在產業、技術升級上的需求。於是臺大造船系便在2002年更名為臺大工程科學及海洋工程學系，並擴展出光機電資訊組，以光電、機電、電子、資訊網路等專業為主軸，培育科技產業人才。
從那時起，薛文証逐步轉移研究重心，不但投入研究奈米電子與光電材料，更積極朝向半導體材料發展，而有了豐碩的成果。2020年，薛文証實驗室成功開發出一種改良款的「自旋轉移力矩磁阻式隨機存取記憶體」（STT-MRAM），以超晶格材料取代傳統STT-MRAM所使用的單晶材料，稱為SL-STT-MRAM，不僅保有原本STT-MRAM低耗能、高速讀寫的特性，而且還具有穩定不易劣化、耐久性高、耗電少與製程相對簡易的優勢。SL-STT-MRAM若能夠持續發展並應用於業界中，就有機會成為新一代的記憶體，取代目前主流記憶體，進一步推動目前熱門的人工智慧與物聯網發展。
拓撲光子晶體成量子趨勢
近年來，薛文証也著眼於量子運算趨勢的崛起，開發出一系列高性能拓撲光電元件，採用實驗室自行設計的共軛拓撲光子晶體，相較於傳統拓撲光子晶體，在結構上更為對稱且光子能帶範圍較寬，突破了傳統拓撲光子晶體的技術瓶頸，得以實現高效率的光傳輸。由於共軛拓撲光子晶體具有更強健的拓撲保護特性，還可以整合於現有的矽光子元件及積體光路中，大幅降低傳統光通訊傳輸中的背向散射損耗，即使製程中產生缺陷或雜質，也能保有優異的傳輸性能。
基於共軛拓撲光子晶體所擁有的良好光子共振效應，薛文証因而研發出超慢光元件，可減低光訊號在晶體中的傳輸速度至每秒1公尺以下，從而拉長量子態的操控時間，便可增加量子電腦效能與儲存能力，在量子運算與資訊處理領域有極大潛力。
而團隊也將共軛拓撲光子晶體的成果應用到生物感測領域，開發出高靈敏生物與生化光子感測器，其利用共軛拓撲光子晶體的光學共振特性，觀測光的共振波長變化，進而檢測出樣本中所含有的病原體、微生物或病毒的濃度，未來有機會應用於特殊生化分子的實驗檢測。
拓撲光子感測器可依樣本波長變化檢測出濃度。
與儀科中心合作突破瓶頸
在開發這些高性能拓撲光電元件的過程中，薛文証團隊長期與台灣儀器科技研究中心（簡稱儀科中心）合作，運用光學系統整合研發聯盟平台，幫助團隊順利化解各項挑戰。
其中一項最大的挑戰，在於「實驗室所設計開發出來的元件或產品，是否符合目前產業界的需求與應用？」藉由儀科中心「光學系統整合研發聯盟」交流平台，薛文証得以參與各項交流研討會，並與儀科中心智慧光學檢測儀器組及相關產業界研發人員建立緊密的合作關係，除了獲得元件製作、儀器使用與實驗委託服務外，薛文証還能夠透過與平台頻繁的討論互動，深入了解當前產業發展的需求，因此激發薛文証產生更多創新構想，才能在學術研究上做出重大突破。
薛文証表示，團隊非常榮幸能夠獲得此次研發服務平台亮點成果獎的榮譽，鼓勵團隊繼續從事前瞻研究，一路上十分感謝現任儀科中心主任潘正堂、前主任也是臺大機械系教授楊燿州在相關研究計畫與行政上的支持，以及陳銘福組長、黃鼎名研究員等人在實驗量測設備提供許多幫助。未來團隊也將持續與儀科中心合作，期待與臺灣相關產業共同組成科研團隊，將拓撲光電元件進一步商品化，以應用於新一代的光電設備與系統。
薛文証教授與其團隊，在儀科中心的協助下，創造新一代拓撲光子晶體。
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