臺灣大學光電工程學研究所學位論文
國立臺灣大學,正常發行
選擇卷期
已選擇0筆
- 學位論文
IPMC所指的是一種離子高分子金屬複合材料，它可以被電壓所致動，隨著電壓的增加使其形狀逐漸彎曲。我們將使用離子高分子金屬複合材料在自由空間中來做為可調變光衰減器的角色。我們將量測離子高分子金屬複合材料的元件插入損耗、光衰減範圍、偏振相關損耗、波長相關損耗以及反應時間。我們發現離子高分子金屬複合材料在2伏特的驅動電壓以下提供明顯的致動效果。我們所使用的高分子金屬複合材料元件表面粗糙度為0.66 μm，元件插入損耗為2.89 dB。此高分子金屬複合材料的光衰減範圍可高達80 dB，其解析度為每伏特40 dB。元件的偏振相關損耗範圍為0.1 dB到0.6 dB。元件在1527 nm到1563 nm光波段的波長相關損耗範圍為0.15 dB到0.85 dB。元件的反應時間和鬆弛時間分別為0.5秒和0.3秒。元件的致動電壓為2伏特，而元件的功率損耗為5.78 mW。
- 學位論文
無坩鍋製程之雷射加熱基座長晶法具有低污染之優點，是適合用來生長高品質單晶晶體光纖的良好方法；使用共抽絲雷射加熱基座長晶法，單纖衣與雙纖衣晶體光纖皆可以成功地被生長。 光學同調斷層掃描術是一種新式技術，具有取得活體生物組織之三維斷層影像的功能，也可以應用到各種微元件之三維結構掃描，在光學同調斷層掃描系統中使用連續波寬頻光源，其優點包含有:因寬光譜頻寬而達成的良好縱向解析度、因近似高斯波形的光譜形狀而達成的縱向影像畫素間之低串音、以及因低量測功率而得以應用在人體組織的活體量測。 我們成功的生長出摻鉻釔鋁石榴石雙纖衣晶體光纖，用以產生中心波長位於1380奈米之寬頻輸出光，由於其長波長不在半導體材料的吸收波段之內，可以用來檢測以半導體材料製作的為結構元件，為了提升光學同調斷層掃描系統的信雜比，我們使用了雙向激發雙程架構用以提升摻鉻釔鋁石榴石雙纖衣晶體光纖寬頻光源的輸出功率至3.15 mW，由於輸出頻寬為222奈米，縱向解析度達3.6微米，其縱向影像畫素間之串音，對相鄰畫素為-24.7 dB，對第二與第三非相鄰畫素各為-37.2 dB及-32.9 dB。 由於摻鈦藍寶石之螢光中心波長位於760奈米，故適合用來作為檢驗各種生物組織的光源，可以達到較大的穿透深度，在摻鈦藍寶石單晶晶體光纖的生長過程中，三價鈦離子受氧化變成四價鈦離子，為了有效提升發光效率與降低紅外光波段的殘留吸收，我們使用了爐管退火與雷射退火兩種製程皆可還原三價鈦離子，但使用爐管退火製程之晶纖其發光效率可為雷射退火製程的十倍。使用446奈米半導體雷射為激發光源，摻鈦藍寶石單纖衣晶體光纖可以產生功率達2.45 mW之寬頻輸出光，由於光譜頻寬達180奈米，實驗量測到的縱向解析度為1.5微米，縱向影像畫素間之串音，對正負一階相鄰畫素為-23.7 dB，對正負二階與正負三階非相鄰畫素各為-42.7 dB及-49.5 dB；使用532奈米固態雷射為激發光源，最大輸出功率可達15.6 mW。 單模晶體光纖可以用來改善晶體光纖光源之輸出光束品質，使用側鍍TiO2方式製作摻鉻釔鋁石榴石雙纖衣晶體光纖，與使用SF57HHT高折射率玻璃作為纖衣材料製作摻鉻釔鋁石榴石單纖衣晶體光纖，皆可以降低晶纖的數值孔徑，然而這兩種晶纖仍然是多模態；利用增益導波折射率反導波機制作為設計原理，大纖心直徑光纖仍可以達成單一橫向模態，我們提出使用N-LAF34高折射率玻璃作為纖衣材料製作增益導波折射率反導波摻鈦藍寶石單纖衣晶體光纖之設計。
- 學位論文
我們成功的使用磷砷化銦鎵量子井作為主動層材料，製作出直徑為12μm大小的電注入微碟雷射，並量測到模態間距約16μm至18μm，與微碟的尺寸符合來證實為迴音廊模態。此外，我們也進行變溫量測，以觀察並討論到量子井和模態紅移的現象。 在本篇論文中，我們主要對於兩種樣品製程作比較。一為過去所使用的乾式及濕式蝕刻製程，另一樣品則在兩者之間多加入一次濕式蝕刻，對於主動層側向暴露的表面做處理，嘗試去減少外圍的缺陷原子層。 對於未經濕蝕刻表面處理的量子井微碟雷射其78K 的臨界電流為53.7μA，Q 值約為4400，可操作到最高溫度為250K，該溫度臨界電流為765.9μA，其特徵溫度為49K。而經濕蝕刻表面處理的量子井微碟雷射78K 的臨界電流為83μA，Q 值為3650，能操作到最高溫度為225K，臨界電流為618.5μA，其特徵溫度為68K。 最後，探討了由於蝕刻支柱寬度對臨界溫度的影響。
- 學位論文
薄膜電晶體已在平面顯示器的應用上發展了十數年。然而，非晶矽薄膜電晶體的低載子遷移率與不穩定性及多晶矽薄膜電晶體的不一致性限制了大面積面板和電流驅動之電路的發展。高載子遷移率、大面積製作、低成本…等益處使得非晶態氧化物半導體成為量產薄膜電晶體的新興材料。 在本論文中，高溫成膜的氧化鋅薄膜電晶體有超過9次方的電流開關比，並且製作和比較不同退火時間下元件在閘極偏壓之下的穩定性，也導入定量萃取出元件的生命期的Stertched-Exponential Time Dependence，更進一步的將生命期最長(1.26x106s)的元件在變溫下作穩定性測驗，成功的萃取出0.57eV的元件活化能。 此外我們製作了氧化銦鎵鋅薄膜電晶體以克服氧化鋅的缺陷問題，並進一步將飽和載子遷移率推進至16.5 cm2/Vs以利電路的應用。以此材料製作的增強型反向器的直流增益達到2.5，且環形震盪器可在20伏特之下操作在8.7MHz的頻率以及0.37伏的峰對峰值。與其他研究團隊的增強型電路相比，這是目前最快的操作頻率。我們也引入頻率和一些製程參數的關係式，以便於進一步調整其操作頻率，其中元件通道層的長度對頻率有最大的影響。總體而言，如要更加推進電路的品質，電路的匹配設計以及電路參數的最佳化都是不可或缺的。
若您是本文的作者，可授權文章由華藝線上圖書館中協助推廣。
- 學位論文
銅鋁氧化物是頗具應用潛力之p型透明導電材料。然而在低溫製程下所得的銅鋁氧化物往往電性不佳，且呈現非晶態，故我們嘗試摻雜鈣來增加其薄膜的電性，並以雷射退火調變能量參數來增加薄膜的結晶狀態，以期得到更有利用價值的銅鋁氧化物薄膜。 本實驗利用射頻磁控濺鍍機，沉積摻雜不同含量鈣之薄膜，量測其電性及光學性質。以Ca0.2CuAl0.8O2靶材沉積之薄膜，具有最佳電性，seebeck 係數為255~270(μV/K)，電阻率為110(Ω-cm)，可見光平均穿透率為26%(厚度200nm)。 本實驗接著利用雷射退火增加薄膜結晶狀態，並以X光繞射儀(XRD)分析結晶性，以二次離子質譜儀(SIMS)觀察薄膜成份。雷射退火後，CaxCuAl2-xO2靶材沉積之薄膜不易改善其結晶性，而CaxCuAl1-xO2靶材沉積之薄膜，結晶性隨著能量增加有所提升。以Ca0.2CuAl0.8O2靶材沉積之薄膜，其最大晶粒約為21.2nm，且有CuAlO2、Al2O3及Cu2O之相產生；薄膜成份則隨著雷射能量增加而有顯著改變，由直接沉積時Cu:Al≒2:1轉變為Cu:Al≒1:2；可見光平均穿透率則隨雷射能量上升至166(mJ/cm2)而提升至51%(厚度200nm)，其電阻率為917(Ω-cm)。 因薄膜電阻率隨著雷射能量增強而增加，所以最後選用未退火導電率最高Ca0.2CuAl0.8O2靶材沉積之薄膜配搭氧化鋅薄膜來製作雙極性接面電晶體元件，由於Ca0.2CuAl0.8O2靶材沉積之薄膜載子濃度過低1015~1016 /cm3，β值僅達~1.1，所以我們進一步使用載子濃度達5x1019 /cm3的氧化鎳來取代銅鋁氧化物，製作出的雙極性接面電晶體，其β值達166，平均可見光穿透率為39%。
- 學位論文
在本論文中，為了修正其間接能隙的發光特性與增強薄膜的結晶性，我們利用電漿輔助化學氣相沉積法，藉由調變氣體流量比例與升高基板溫度以及1100度高溫退火下，製備具有奈米矽晶和奈米碳化矽晶之非晶富矽碳化矽薄膜，從X射線光電子能譜分析發現當基板溫度從450度上升到650度時，矽原子的濃度從64.7%增加到71.6%，然而，碳和氧的濃度則分別是從27.7%減少到22.8%與7.6%減少到5.5%，氧矽比也從0.12降低到0.07，這是因為薄膜的結晶性變好使其變得更緻密以致於減少氧的侵入。而在拉曼頻譜上，有個很明顯的訊號在波數510 cm-1，因而可以發現高溫退火後奈米矽晶的存在，其他兩個很強的訊號峰值相對於3C塊材碳化矽訊號為796和972 cm-1有紅移的現象分別在波數744與933 cm-1處，而這些是由於奈米碳化矽晶尺寸縮小到奈米尺度所造成。從X射線繞射圖中，我們可以估計出奈米矽晶與奈米碳化矽晶的平均尺寸大小分佈分別約為4.2±0.5 nm與2.4±0.3 nm。從FTIR頻譜上，我們也發現在高溫退火後產生的去氫化現象，因為Si-H3的延展模態變成Si-H的延展模態，這是由於矽氫鍵被打斷而使得氫原子從膜中跑掉，因此透過Si-H3自由基的去氫化可使得矽原子之間更容易聚集形成奈米矽晶。此外，我們發現波數頻帶上範圍從792到806 cm-1的訊號是屬於Si-C的延展模態，而且在高溫退火後也會發現其模態有藍位移現象，波數從792位移到802 cm-1，因為退火後使膜中的矽與碳原子鍵結變強。在流量比例為60%退火的試片中，我們可發現很強的光激螢光訊號在波長為485 nm處，因為在奈米碳化矽晶與周圍的環境中交互作用下所形成表面的狀態會產生自我捕捉的激子，而產生很強烈的螢光，另外，在波長為580 nm處也同樣觀察到一個很強的螢光訊號是由奈米矽晶所帶來之量子侷限效應造成，同時也分析了流量比例40到70%樣本的組成比例可從0.74變化到0.62，確認能同時合成出兩種奈米結晶的膜之組成比例。 P型非晶富矽碳化矽薄膜在流量比為50%與掺雜氣體乙硼烷莫爾分率比為2%時，電阻率降到最小為2.2×101 Ω-cm，對應到的雜質濃度與活化能分別為1.35×1016 cm-3和0.17 eV，由於有適當數量的硼原子佔到碳化矽材料中正確的位置，在經過熱處理的活化雜質後，使得有足夠的電洞可以被釋放。另一方面，因為各種氣體解離能的不同，利用加大三倍氣體流量下成長P型碳化矽材料，相當於稀釋薄膜之中的雜質濃度，使得電阻率可以從22再下降到0.72 Ω-cm對應到的雜質濃度為從1.35×1016增加到4.35×1017 cm-3，這是由於過掺雜現象被減少，此現象減少可以減小過量的雜質原子互相散射與電洞之間的碰撞之影響。當製程電漿功率為80 W時，N型碳化矽的電阻率很快地下降到11.3 Ω-cm對應到的磷化氫雜質濃度為1.46×1015 cm-3。 藉由合成具有鑲嵌奈米矽晶與奈米碳化矽晶的主動層之PIN薄膜發光二極體元件來加大輸出光功率、減小臨界電壓和增強電流注入效率。若有效地將P層碳化矽的載子濃度增加，可改善載子注入與電流傳輸特性。越厚的主動層會造成較大的串聯電阻，因此無論是臨界電壓或是注入電流在較厚的主動層中都會比薄的主動層大而且發光二極體的輸出光功率在流量比例為60%之主動層為50 nm元件中比在主動層厚度為25 nm時大了三倍。隨著主動層流量比例為50%的發光層厚度從25 nm增加到100 nm，將使得穿隧機率變小，因為電場變小而使載子注入變少，但在流量比為50%的主動層中擁有更富矽的環境，使其可產生很多以奈米矽晶主導的放光中心，輸出光功率在主動層流量比例為50%之主動層為50 nm元件中比在主動層厚度為25 nm時大了三點五倍，最佳化的功率轉換比率是在主動層為50 nm。當流量比為60%的主動層厚度從25 nm增加到50 nm時，外部量子效率也是大了兩倍以上，而功率-電流斜率大了四倍，所以要同時兼顧載子傳輸與穿隧進入主動層以及在主動層中產生很多的發光中心這兩件事是互相違背的，所以我們可以找出一個最佳化的主動層厚度約為50 nm。在流量比為50%的主動層厚度從25 nm增加到50 nm時，外部量子效率大了四倍，所以無論是在流量比例為60%與50%的主動層下，最佳化的厚度50 nm都適用。載子的電流傳輸機制被確認是由高電場引起的傳導帶到價帶之間的穿隧機制，而且輻射躍遷是透過載子穿隧進入主動層與其鄰近區域所產生。在主動層流量比例為60%的發光元件中，主要的電激螢光峰值在495 nm有個較窄的波包對應到藍白色的發光圖案為奈米碳化矽晶與周圍環境中產生之自我捕捉激子所貢獻，而在主動層流量比例為50%的發光元件中，主要的電激螢光峰值在570 nm有個較寬廣的波包對應到橘黃色的發光圖案被認為是由奈米矽晶造成之近似能帶間的輻射性躍遷。當電子濃度從1015 cm-3增加到1016 cm-3時，注入效率可以提升到原來的六倍，而當外部量子效率從7.84%增加到46%時，外部量子效率可提升到接近六倍。
- 學位論文
在以光纖為主的非線性應用中，週期性極化反轉鐵電材料之晶體光纖具有許多優勢，本論文中首先介紹利用雷射加熱基座長晶法(LHPG)結合外加電場即時監控(in-situ)極化反轉過程，製作週期性極化反轉之鈮酸鋰(PPLN)及鉭酸鋰(PPLT)晶體光纖。實際應用上，在摻氧化鋅之PPLN晶體光纖中，以自串接式(Self-cascaded)的倍頻(SHG)加和頻(SFG)來產生可調變波長之藍綠光輸出，可調範圍從471.3 nm至515 nm，具有超過40 nm的可調頻寬。 此外，為了達到低損耗之光波傳導，首次利用共抽絲雷射加熱基座長晶法來製造出具玻璃纖衣結構之鉭酸鋰(LT)晶體光纖，藉由折射率分布曲線的量測可將玻璃纖衣結構之晶體光纖分為兩類: 一種為步階式折射率光纖，另一種為漸變折射率光纖，目前兩種光纖結構皆為多模光纖，但是若藉由高精準度控制LHPG系統也可以製作出單模LT晶體光纖。 在材料分析與特性量測方面，光學同調斷層掃描術(OCT)首次被應用在非線性晶體之檢測。我們利用自製的摻鈰釔鋁石榴石雙纖衣晶體光纖所產生的寬頻光源，來架設超高解析度OCT系統，可以成功的檢測出在PPLN極化反轉邊界的折射率差值與邊界之均勻性，更進一步地，針對週期性極化反轉鐵電材料之波導元件，其複合結構、色散、以及微小的折射率對比度皆可利用其非破壞性檢測之特性來完成量測與分析。其中，OCT系統在鐵電材料中的縱深解析度為0.68 μm，橫向解析度為3.2 μm以及折射率對比之靈敏度為4×10-7。 量測結果中，針對摻氧化鎂共融比之週期性極化反轉鈮酸鋰晶體，可計算出其+z以及-z反轉區域之折射率差為4.2×10-4，對於鐵電材料極化反轉過程的品質為重要之指標。更進一步地，針對非尋常光(extraordinary ray)波長500 nm到750 nm間，常溫下之色散曲線也可求得。利用OCT系統的高空間解析度以及高折射率對比靈敏度之檢測技術，未來可應用有助於準相位匹配非線性之波導元件的發展，來達到波長轉換效率的增進，以及耦光的模態匹配來降低插入損耗。
- 學位論文
本論文中我們利用自回授鎖模弱共振腔法布里-珀羅雷射建立一種新型光纖環形雷射，藉由直接調變弱共振腔法布里-珀羅雷射產生脈衝訊號的輸出，使得弱共振腔法布里-珀羅雷射在光纖環腔中同時被當作增益介質與脈衝光源來達到鎖模脈衝雷射。利用此架構建立一種在超過弱共振腔法布里-珀羅雷射原來頻寬的操作下，我們成功達到10 GHz鎖模脈衝雷射輸出。 首先，90%的回授功率以及28 dBm的調變強度經過自回授光纖環腔後可觀察到鎖模力量的增強，並建立在修正後中鎖模理論中進行探討。此外，經過系統優化後，我們討論了光脈衝輸出從自增益切換轉換至鎖模雷射的特性，使得弱共振腔法布里-珀羅雷射的縱模退化了30 dB，造成縱模的拓寬。而在自回授弱共振腔法布里-珀羅雷射鎖模光纖環形雷射脈衝輸出中，經優化後將弱共振腔法布里-珀羅雷射操作在60 mA與90%的自回授功率，可獲得最佳的脈衝寬、時基誤差、脈衝消光比與光譜線寬分別可達到22 ps、153 fs、13.65 dB以及7.6 nm脈衝輸出。 接著，我們同樣藉由光注入的理論模型模擬出光脈衝輸出從自增益切換轉換至鎖模雷射的情形，並改變不同的回授功率以及弱共振腔法布里-珀羅雷射的端面反射率探討脈衝之變化情形。透過脈衝形狀、縱模線寬以及啁啾頻率的改變，我們探討了在弱共振腔法布里-珀羅雷射的腔體與外環腔的競爭下所造成的鎖模力量變化。由於為了符合高密度分波多工器在傳輸上的應用，我們建立了雙環腔系統並且期望可同時達到品質好的脈衝訊號與選模的目的。然而，在原來90%自回授鎖模光纖雷射中，額外架設之外環腔會造成系統的調變頻寬下降，因而使得鎖模力量減弱，故我們藉由改變環腔功率的比例從10%增加到90%來觀察在共振條件改變時，探討光脈衝輸出品質的變化。所以，將雙環腔建構在自回授鎖模弱共振腔法布里-珀羅雷射系統中，脈衝弱化的情形使得無法針對高密度分波多工通道化的傳輸做探討。受到額外共振腔條件的影響，鎖模力量的弱化使得脈衝寬在雙環腔功率為10%與90%時，可分別得到脈衝寬為24 ps以及30 ps的脈衝輸出。 最後，我們探討90%強自回授鎖模弱共振腔法布里-珀羅雷射系統在外環腔以及直調雷射內腔競爭之行為。當我們些微改變雷射的調變頻率時，可觀察出光脈衝輸出頻率會從諧波鎖模轉變成一種高重複率的脈衝光源輸出。藉由改變系統的操作參數來觀察在環腔競爭後所產生的此一高重複率脈衝力量的來源，我們提出了一種新的自增益切換鎖模雷射技術。在將操作電流與頻率做微調整使得自增益切換鎖模力量增強的情況下，我們可以得到重複率高達67 GHz的脈衝光源輸出。
- 學位論文
近年來，由於人們不斷的追求更逼真的影像，因此3D立體顯示器成為平面顯示器中最閃亮的一顆新星，而不用配戴特殊裝置，即可觀賞到立體影像的裸眼式立體顯示器，由於更符合一般觀賞者的使用習慣，因此吸引許多科技大廠相繼投入研究。目前用於裸眼式立體顯示器的3D技術，主要有視差屏障和柱狀透鏡技術，而另一種電濕潤微稜鏡技術亦被提出。目前來說，尚無特定的裸眼式3D技術成為主流技術，主要由於這些技術目前尚有各自的優點及限制，較難一次滿足所有的需求。 為了更加了解使用這三種3D技術的裸眼式顯示器間觀賞品質的差異，加上顯示器的系統參數和其觀賞品質是彼此相關的，因此本論文提出一共同平台稱為觀賞參考面板，當作比較不同技術間觀賞品質的基準，透過這樣的方式使我們能夠客觀比較不同技術間的觀賞品質。我們使用光學模擬軟體LighttoolsTM建立裸眼式顯示器的模擬模型，並模擬其光學特性，並且探討面板的系統參數對於不同技術的觀賞品質之影響及趨勢。我們並從觀賞者的角度出發，比較觀賞者觀看顯示器時最在乎的幾項觀賞品質，包括光輝度的大小、均勻度、交互干擾值的大小、頭可左右擺動的幅度即觀賞區域的大小及可看到清晰3D影像的角度範圍即可視張角。 而由模擬結果可知，就光輝度來說柱狀透鏡式顯示器最佳，光輝度的均勻度則是電濕潤微稜鏡透鏡式顯示器最好，觀賞區域的寬度及可視張角則是視差障式顯示器最大，但其過高的亮度損失仍是需要被克服的。透過本篇論文的研究結果，能使我們對於這三種3D技術的光學特性及彼此間的差異更為了解，往後在設計顯示器時，我們可根據顯示器的使用用途及最在乎的觀賞品質項目，而使用不同的3D技術。
- 學位論文
我們在砷化鎵基板上製作二維空橋式結構六方排列光子晶體微共振腔。我們以密度為5x1010cm−2之單層砷化銦量子點作為主動層，經過平面波展開法的模擬設計，藉由電子束直寫微影技術製作出我們所要的共振腔圖形，然後經由乾式蝕刻與濕式蝕刻的步驟而把光子晶體微共振腔完成。 我們設計以線缺陷L3和六角缺陷H2,H3系列為主的共振腔，藉由理論分析與場型模擬對共振腔進行最佳化，以期製作出高品質係數，低臨界激發強度，低模態體積的微共振腔。 我們使用微光激發螢光系統在78K溫度量測，討論對於L3,H2,H3系列共振腔所做修改的結果。接著我們做變溫量測，在室溫300K仍然可以量測到共振腔之模態。量測臨界激發強度方面，在78K溫度下，最低量測到的臨界激發強度為21μW。且觀測到有雙能態發出雷射光的共振腔。受限於光子晶體散熱不佳的因素，目前雷射的運作最高溫度為90K溫度量測臨界激發強度，在此溫度的最低臨界激發強度為35μW。在量子點的研究方面，我們藉由模態頻寬與量子點的頻譜和量子點密度來估算對模態有貢獻的量子點數量，以促進對少數量子點的研究。擁有雷射發光的模態最少可到40顆量子點，H系列共振腔最少可到15顆量子點，而L3系列共振腔最少可到7顆量子點。