光子革命

文/郭立昌

一、概述

經上說：「神就是光。」(約壹1:5) 心中有神，即使身處黑暗也不會懼怕。“Photonics”—「光子」(簡稱“photon”)，有人看了〈見證台灣60年〉，問道：「光子是什麼？」答案是，我們在1986年啟動「富裕台灣計畫」—因為台灣在1980年代初遇到產業轉型的瓶頸，電子業賴以維生的手提式電晶體收錄音機的訂單銳減，隨身聽(Walkman Player) 訂單一夕斷頭，美商和日商紛紛關門或撤廠離台，失業者找了半年還找不到工作，來訴苦後說：「再找不到工作就要去開計程車！」開計程車又被搶，內人丁玲虹說：「我要發明一個既能解決失業，又可免計程車司機被搶的非現金系統---」進行社會責任投資(SRI)，發明非接觸式半導體，花費很多金錢和時間摸索—從法拉第找到愛因斯坦，原本我以為「光」在普林斯頓有參考文獻，很快就能將電子裝置升級，達到「非接觸式」(Contactless)資訊轉換的目標，卻演變成改變世界的戰爭—稱之為「光子革命」。各位今天很方便地拿著手機上網、掃碼、玩遊戲或工作，都與這場「光子革命」有關。

愛因斯坦及其〈光量子假說〉

二、靠電子小零件翻身

以前先父阿坤常嘲笑道：「你這個沒路用的腳笑，只會做些不入流的電子小零件！」重點是，我親手做的那些精細到連手都拿不住的電子小零件，在囝仔工月薪新台幣30元的年代，他每日嬉玩，每天都有兩百元的富士大蘋果吃，住進親戚最大的房子，每個人看見他都「歐里桑好」、「董事長好」，那時他才40來歲。

我則每天至少要開發十項新產品，每日睡三小時就精神奕奕地提供給每個客戶最好的服務。要使每個客戶都滿意，除了好產品之外，必須得有「學術和理論」基礎，所以我在1967年就贏得美國客戶的「黑手博士」暱稱。我和成功大學電機系姚靜波教授與機械系馬承九老師生成的那份《承認書》(Approval Sheet)更成為全球電子業最重要的《參考文獻》，所以從初中夜校到研究所的課程對我而言都是一小塊蛋糕。

此外，除了每樣新產品的第一組模具必須我親手做之外，台北啟源書局載來賣的書，即使厚達5公分的工具書，我仍然會從頭到尾瀏覽過一遍—感謝上天賜我年輕時看整頁書的能力，書是我的秘密武器—競爭者無法搶走我的客戶；每天沉浸在「工作和閱讀」之中，跟著我的客戶一起成長，也跟著我熱愛的台灣從農工社會轉型至資訊社會。

馬承九老師在機械方面提供了很好的吸收材料，姚靜波教授則在「電子學」方面給我很多的指導，加上自己的實作能力，誠如藍董事長在紐約雙子星請我吃飯時說：「美國的同業都因你而轉行了！」他要的新產品通常我都會在兩天以內給，最長的開發時間僅只一週就有樣品。但為了富裕台灣而想做出「非接觸式」的工具型解決方案，卻花掉了我11年的時間及幾十億元的無償投入。

三、從電子到光子

以上故事在《為下一代開出路IV》(郭立昌，2022)書中有詳細敘述，在此特地把電子到光子的發展，補充說明如下：

大家都知道原子包含「電子、質子和中子」，在某些情況下，「電子」(Electronics簡稱electron)在原子中的分佈範圍(直徑)可以用約「10^{⁻22 米}」來描述，但這並不意味著電子有一個具體的「體積」；因此，電子的體積在理論上是不存在的，只有它在空間中的分佈範圍可以被描述。質子和中子的直徑大約為 10⁻¹⁵ 米，這是大約是原子核的尺度。惟電子雖小，但仍有「質量」，若欲達到「非接觸式資訊轉換」，參考了包括愛因斯坦的〈光量子假說〉等文獻後，我認為電子必須進階至「光子」，其過程與物理學和技術發展中的一些基本原理和需求有關，讓我先分幾個方面來解釋為什麼選擇光子，而不是質子或中子成為關鍵的進階元素：

1. 電子的基本特性與光子的關聯

電子是物質世界中最基本的「負電荷粒子」之一，並且擁有很高的移動性。電子通常在導體、半導體和其他材料中運動，形成「電流」。在許多電子設備中，電子的運動和相互作用構成了基礎的運作原理，例如電流的傳導、訊號的處理等。

光子(photon)是光的基本粒子，它「不帶電荷」(無質量/無電阻)，並且在真空中以光速運動(3 x 10⁸ m/s)。其實光子與電子有密切關聯，因為光子的產生和吸收過程往往與電子的能量狀態變化有關；當電子從一個能級跳遷到另一個能級時，它會釋放或吸收光子，光子和電子之間的這種關聯，促使了從電子技術到光子技術的過渡。

2. 質子和中子並不適合用於電子技術的進階

質子和中子是「原子核」內的組成粒子。儘管它們對原子結構和核反應至關重要，但在電子技術和資訊科技的領域中，它們並不具備光子那樣的應用優勢，原因如下：

1) 質子和中子的質量：質子和中子「相對較重」，並且帶有穩定的質量，這使得它們的移動速度比光子慢得多，這對於需要沒有接觸通訊和資訊處理的未來電子技術而言並不理想。

2) 質子和中子的穩定性：在既有技術中，質子和中子很難用來進行有效的運算或數據傳輸，因為它們不會像電子或光子那樣與其他物質或場發生簡單的交互作用。

3) 不可控性與技術挑戰：相對於光子，質子和中子的操作和控制更加困難；質子和中子通常參與「核反應」，並需要極高的能量來產生、加速或操控，這使得它們在現有技術中並不適用於大規模的資訊處理和傳輸。

3. 光子在通訊與運算中的優勢

隨著電子技術的發展，越來越多的需求出現，如高速度的資料傳輸、更大的運算能力等，光子理論提出了許多技術優勢如下：

1) 高速傳輸：光子在光纖中傳播時速度極快，可以達到接近光速，這使得它成為長距離、超高速通訊(如光纖通訊)的理想選擇。

2) 無接觸資訊轉換：光子原理在光學感測可能提高對物品識別和數據精確度方面的靈敏度，達成沒有接觸的資訊轉換，已知的光纖通訊技術也可能用於數據傳輸。

3) 低能量損失：相比於電子訊號在金屬線中傳輸會遇到的阻力和能量損耗，光訊號在光纖中傳輸的損耗非常小，這使得光纖在長距離通訊中更具優勢。

4) 高頻寬與並行性：光子技術可能處理極大量的數據，並且多路訊號可以在不同的頻段上並行傳輸。這使得光子在處理大量數據(如大數據、雲端運算等)方面具備無可比擬的優勢。

4. 光子的「光學電子」革命

自從1905年愛因斯坦提出〈光量子假說〉之後，引發許多科學家投入研究，《光學電子學》（Optoelectronics）逐漸成為了重要的科技領域，它將光子與電子技術結合在一起，開創了新的技術方向。例如，雷射及光纖通訊等，這些技術都在電子技術的基礎上，利用光子的特性—例如「無質量」在資訊處理、數據傳輸和高速通訊中進行創新，推動了從電子到光子的技術轉型。早年到紐澤西時，特地去普林斯頓尋找愛因斯坦走過的足跡。此外，基於光子的特性優勢應用於資訊科技中，從電子技術邁向「非接觸式」感應科技的進階發展，我自然先選擇了光子。相比之下，質子和中子在這方面發揮作用的可能性不高，因為它們的物理性質與現代科技需求並不匹配。

愛因斯坦在普林斯頓走過的足跡

四、光的限制

「光子」(photon)是一種無質量的基本粒子，它被認為是一個點狀粒子，並且沒有確定的「直徑」或「體積」可以直接測量。這是因為光子並不是像電子、質子或中子那樣具有內部結構的粒子，它只是在空間中以「波」的形式存在。因此，光子並沒有一個固定的、可以被測量的物理尺寸。然而，根據量子場論，光子的波動行為可以用其波長來描述。在不同的波段，光子的波長（或頻率）可能在幾皮米（10⁻¹² m）到幾百奈米（10⁻⁹ m）之間。例如：「1. 可見光：波長約為 400-700 奈米 (nm)。2. X射線：波長約為 0.1 nm 到 10 nm。」這些波長反映了光子的「波動範圍」，但不代表光子本身具有具體的直徑或體積。

光子屬於「玻色子」(boson)的一種，是一種遵守〈玻色-愛因斯坦統計〉的基本粒子。它是一種無質量、帶有能量和動量的粒子，並且負責傳遞電磁相互作用，其特性允許它們「合作」並產生許多的宏觀量子效應。光子在日常生活中的表現形式就是我們所見的光，包括可見光、紫外光、紅外光等。光子的基本性質如下：

1) 質量：光子是無靜止質量的粒子，這意味著它在靜止時並不存在質量，這使得光子能夠以光速運動。

2) 能量與頻率：光子的能量與它的頻率(或波長)相關，根據普朗克公式：「E=hν」其中，E 是光子的能量，h 是普朗克常數(約6.626×10⁻³⁴ 焦耳⋅秒)，ν是光的頻率。根據這個公式，頻率越高的光子能量越大(例如紫外光的光子能量比紅光的光子能量大)。

3) 自旋：光子的自旋是整數1，這使它成為一個玻色子，而不是費米子。【電子的自旋是半整數（例如二分之一/二分之三…）】

總之，光子沒有確定的直徑或體積，因為它被認為是無內部結構的點狀粒子；光子在真空中的速度是 3×10⁸ m/s—這是宇宙中的最大速度；光子具有波粒二象性，既是電磁波的基本單位，也能像粒子一樣與物質相互作用。可惜的是，玻色子的特性允許它們「合作」並產生量子效應，但我們花費很多心血研究和實驗，利用光試圖發展非接觸式感應讀取的配偶組(coupler)，卻發現它的「電磁波」會被遮蔽而無法作動，故於1989年轉向採用「收音機頻率」(無線電波，RF)發展出非接觸式感應裝置。

五、發明非接觸式感應讀取裝置

從法拉第、富蘭克林讀到愛因斯坦留下來的文獻，摸索到最後的結論，如同經濟日報和工商時報於1989年12月29日報導：「以產銷AV端子著名的SEL公司，發展射頻轉換器---」射頻轉換器(RF Transmitter)係非接觸式感應讀取裝置的主要元件。光和無線電波雖然同屬於電磁波，但它們的「波長和頻率」差異極大，這是導致「光」容易被遮蔽，而「無線電波」(RF, radio frequency) 能穿透某些遮蔽物的主要原因。茲說明如下：

1. 光為高頻短波，容易被遮蔽物吸收或反射

1) 波長短：光的波長通常在幾百奈米(10^{−9 m})到幾微米(10^{−6 m)}的範圍。

2) 與物質的相互作用強烈：「(1) 當光照射到物體時，光子的能量足以激發材料中的電子，導致吸收或散射。(2) 同時，光波的短波長使其容易與物體表面的微觀結構（如不平整或分子間距）發生反射或散射，從而無法穿透遮蔽物。」

3) 光的典型侷限：許多材料(如金屬、紙張、木材、塵霧)對光是不透明的，光因此被遮蔽。

2. 無線電波為低頻長波，較容易穿透材料

1) 波長較長：無線電波的波長範圍從幾毫米到數百米，比光的波長長得多。

2) 與物質的相互作用較弱：「(1) 長波長的無線電波不容易與物體表面的微觀結構相互作用，能夠繞過障礙物（如衍射效應）。(2) RF波的能量不足以激發大多數材料中的電子，因此材料對它的吸收較少。」

3) 材料的穿透性：無線電波可以穿過塑料、木材、紙張甚至牆壁等非導電材料。

3. 金屬的屏蔽效應

1) 光的屏蔽：金屬對光的反射能力極強，因為金屬中的自由電子會對光的高頻振盪迅速響應，產生反射和吸收，阻止光的穿透。

2) 無線電波的屏蔽：「(1) 金屬對無線電波也有屏蔽作用，因為金屬中的自由電子會形成屏蔽層，阻止電磁波穿透；(2) 惟無線電波的波長更長，對於非金屬材料則更能穿透。」

4. 光與無線電波的適用場景

1) 光：「(1) 適合用於傳遞大量數據(如光纖通訊)和精確定位(如光學傳感器)；(2) 缺點是穿透性差，容易受環境影響(如灰塵、霧氣、遮擋物)。」

2) 無線電波：「(1) 因其波長較長、穿透力強，更適合用於『非接觸式感應』(例如TranSmart Chip)、長距離通訊和在遮蔽環境下操作；(2) 只是數據傳輸速率和精度通常不如光。」

5. 為何選用RF(無線電波)替代光？

1) 光易被遮蔽：在非接觸式感應裝置中，遮蔽物(如紙張、塑膠、衣物、木材)會吸收或反射光，導致光訊號被屏蔽而無所作動。

2) RF更能穿透材料：無線電波的波長較長特性允許它穿透遮蔽物，並在不需要定位的條件下實現非接觸式感應和讀取。

總之，「光子」雖然理論上可以高效傳輸數據，但因其波長較短且易被遮蔽，無法穿透大多數材料；而「無線電波」(RF)具有更長的波長和更強的穿透力，是在「非接觸式感應裝置」中更實用的選擇。導正了研究方向之後，我們終於帶著做出來的成果到1997年溫哥華APEC發表，再經過6年在APEC的努力，內人丁玲虹(Linda Din)在2003年APEC的講台回答提問時說：「這個商機將有10兆美元。」—引發風起雲湧的浪潮，惟在新冠期間，非接觸式感應的非現金交易額已經高達36兆美元，被稱為人類史最高產值的發明。

郭立昌帶至世界的「非接觸式」發明

六、光子的未來性

我們在1986年為了解決計程車司機被搶的問題發明非現金交易系統，在「光」與「波」之間花很多心血摸索，直到1989年確定發展「射頻轉換器」(RF Transmitter)，其美國發明專利後來則成為迪士尼/ VISA等跨國企業所引用，且改變了21世紀的交易和商業模式。惟科技經濟已經到了人工智慧的時代，如欲維持台灣的優勢則必須進行高技術含量整合—也就是「RFID光子化」，以射頻識別(RFID)技術為基礎，結合光子技術，發展「TranSmart Chip」(傳智晶片)為進階非接觸式半導體，以提升系統效能、降低功耗和低溫升。其發展的構想如下：

1. 技術整合與優化

1) 多模整合：在設計RFID光子化系統時，可考慮整合多模技術，如同時支持無線電波和光子通訊，使其在不同應用場景下靈活切換，增加適用性和穩定性。

2) 封裝與微縮技術：探索將光子元件與傳智晶片在單一封裝中整合的技術，如TPC級封裝，以實現更高的性能密度。

3) 材料選擇：使用低功耗、高效能的光子材料(如矽光子或Ⅲ-Ⅴ族材料)，嘗試有機材料的應用，並優化元件設計，進一步減少能量損耗。

2. 功耗與熱管理

1) 被動設計優化：我們曾經為啟動傳智晶片而使用「Power Chip」(動力晶片)作輔助，探索二者整合，透過結構和材料的精巧設計，利用環境光或射頻能量作為電源，減少外部電源需求，最大化光子的使用效率並最小化能量損耗，係光子技術可持續發展的重要方向之一。

2) 熱管理設計：在設計中加入有效的散熱機制，如熱導材料、微型散熱片或基於光子晶體的熱管理技術，以降低系統運行時的溫升。

3. 兼容性與標準化

1) 協議支持：確保創新的系統能兼容現有的RFID協議 (如ISO/IEC 18000系列)，並為未來標準的擴展保留空間。

2) 行業合作：與國際標準機構 (如ISO或NFC論壇)合作，推動光子化射頻轉換技術的標準化進程，增加市場接受度。

4. 安全性與數據處理

1) 加密與安全：研究基於量子光學的安全加密技術，提升射頻通訊的抗竊聽能力。

2) 分布式處理：開發與光子化射頻技術配套的分布式數據處理方案，以支持即時數據分析和應用。

5. 市場與應用場景

1) 精準應用場景：針對物流、零售、交通工具電子支付等高頻應用領域，進行專門優化和測試，滿足不同場景的需求。

2) 光子特性應用：探索光子特性在特定場景的優勢，如高速數據同步、低延遲回應或無干擾環境識別。

6. 長期研究與創新

1) 人工智慧與光子結合：將人工智慧技術融入光子化射頻系統，用於智慧識別和自主運行的應用。

2) 量子RFID：探索量子光學與RFID結合的可能性，在超高性能和安全通訊系統等領域發揮重要作用。

7. 商業化與生態系統建設

1) 市場推廣：整合既有基礎建設，建立商業平台，快速實現市場化。

2) 產官學研合作：成立第三部門督促政府關注這個高新科技領域，與高校和研究機構建立合作關係，加速技術突破並降低研發成本。

簡言之，將光子技術與RFID結合不僅順應了低功耗、高效能的未來趨勢，也能顯著提升技術競爭力，坐穩全球產業鏈的核心，是個前瞻產業的發展方向；經過估算，「光子元件」（photonics components）在未來十年將在ICT、IoT、AI、V2X（車聯網）、電動車（EV）、無人機（Drone）、穿戴裝置、通訊衛星和非現金儲值裝置(Cashless System)等領域的應用會不斷擴展，整體市場規模預計將達到「數兆美元」，如若成功，將使台灣引領未來全球的主流科技社會，為下一代保有美麗的明天。

七、結語

台灣曾經經歷過1969年真空管淘汰，導致整個產業被消滅，1980年代初手提電晶體收錄音機的訂單消失造成的關廠及失業潮；我們因此啟動「富裕台灣計畫」，進行社會責任投資，發明電商產業，選用非接觸式傳智晶片為交易工具，為台灣的經濟開啟新生機，也解決了當時的社會問題，更為台灣的半導體業及其後續發展奠定了基礎。如今，全球半導體產業奮起直追，美國的兩大產業政策：「1) 停止外包，2) 轉化美國為製造業強權。」必定對台灣的高科技產業產生重大影響，我們必須防範「護國神山迷思」—這是當前面臨的一個警訊。台灣若要在未來的全球科技競爭中穩固地位，必須超越現有的成功模式，尋求更多樣化的創新途徑。總之，創立一個監督產業政策的第三部門，整合光子和射頻科技，持續推動「進階非接觸式半導體技術」發展，與美中日韓的發展作出市場區隔，無疑是對台灣未來產業發展的一個重要戰略投資。這場「光子革命」不僅能夠減少對單一產業的過度依賴，也能確保台灣在全球創新競爭中的地位和可持續性。