矽光子與奈米碳先驅的公益發明之路

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隨著2024年AI運算需求的增長,矽光子技術逐漸成為焦點,吸引眾多企業投入研發,然而,致力於跨領域公益創造的盧鴻智博士,早在二十多年前便已在矽光子技術領域展開探索,他在年輕時期為矽光子研發奉獻了大量心血,回顧其發明歷程,儘管他的成果最終全數公開於世,卻從未以商業方式營利,彼時傳播技術尚不發達,許多人甚至不知這些發明的原始創作者正是他。

盧博士於1999年啟動矽光子研究,當時他的主要領域是光子元件,由於台灣當時尚未具備成熟的二氧化矽晶片製程,他選擇使用矽晶片製程進行光子元件研發,此舉逆於常規做法,為其後來的多項美國專利奠定基礎,當時的矽光子晶片製程與電子元件的製程迥異,矽光子的波導線寬遠大於電子導線,因此,矽光子元件與電子元件的整合及耦光損失問題至今仍具挑戰。

盧博士當年提出的設想是將電子運算與光子傳輸結合,以矽光子技術取代傳統連線方式,解決chip到pin接腳的bonding所造成的高頻限制,以晶片間的光子傳輸取代傳統排線,他的美國專利US8406579(見圖一)為這一理念的核心元件,能同時實現波長多工與光調變,縮小光子元件尺寸,提升其與電子元件的兼容性。

圖一、美國專利號US8406579,實現晶片間高速傳輸的矽光子核心元件

隨著多晶片之間高速互聯需求增加,矽光子的重要性日益突出,圖二展示了盧博士基於數位孿生技術創建的矽光子超級晶片,此示意圖使用了Intel CPU與nVidia GPU的die shots來呈現電子訊號與光子訊號之間的轉換與傳輸過程。

圖二、盧鴻智博士以數位孿生技術創建的矽光子超級晶片演示圖

在圖二中,兩個不同波長的DC光源分別耦光進入波導,透過US8406579的核心元件將CPU與GPU的電子信號轉為光子信號,並實現波長多工,由同一光纖傳輸。

由於缺乏資金支持,盧博士於2010年後轉向消費性電子領域,並開始研究散熱技術,石墨烯的高導電與高導熱性質吸引了大眾目光,但其優異性能只在少層數且低缺陷條件下顯現,因高製程難度,石墨烯商業化受限,市面上許多打著石墨烯名號的產品僅含石墨或極少的石墨烯含量。

盧博士設法利用石墨烯製程中的不良品,發現其優秀的表面放射率可應用於LED散熱,於2013年,他獲得美國專利US9170015,開創了奈米碳散熱與電熱技術,圖三展示了應用奈米碳散熱技術的被動式液冷散熱器。

圖三,盧鴻智博士的被動式奈米碳液冷散熱器

圖三左側為整體外觀圖,右側為截面圖,導熱板下方貼於熱源處,將熱量傳導至高導熱液體,透過內部結構擴大液體與導熱板的接觸面積以提升熱交換效率,該散熱器採用蜂巢結構設計,表面鍍有奈米碳散熱膜,以其高效的熱輻射效能達成散熱效果。

因為熱輻射功率跟溫度的四次方成正比,溫度越高熱輻射越好,這也是盧博士後來發明奈米碳電熱技術的原因,在高溫下具有絕佳的熱輻射效益。

盧博士進一步測試了奈米碳家族(如石墨烯、奈米碳球、奈米碳管與類鑽碳)材料的熱輻射能力(見圖四),測試結果顯示,純鋁無鍍膜的溫度約96度,奈米碳材料鍍膜後溫度約86度,而盧博士開發的奈米碳混料測試溫度最低,約81度,證實了奈米碳材料在散熱應用上的優越性。

圖四,奈米碳家族的熱輻射能力測試圖

盧鴻智博士的許多發明,始終過度超前而不被當時所認可,直到在數十年後才因為開始進入商業化應用而被佐證,他是原創者這件事,甚至鮮為人知,即使如此他始終堅持理想,無私奉獻於公益創造,仿效哥白尼、伽利略與尼古拉特斯拉,為推動綠色科技的進步,照亮前行之路。

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