臺灣大學光電工程學研究所學位論文
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在本篇論文包含兩個部份的研究，首先是利用高溫爐管在藍寶石基板上成長氮化鋁奈米柱層作為氮化鎵磊晶的緩衝層，使其在磊晶的過程之中產生側向生長的作用，第二部分則是利用氮化鎵發光二極體當作光源來構成葡萄糖濃度感測的系統。 目前約有95%的氮化鎵發光二極體是利用有機金屬化學氣相沉積成長在藍寶石基板上，由於兩者材料的晶格常數及熱膨脹係數的差異，導致氮化鎵磊晶層產生大量的貫穿式差排。為了改善氮化鎵的磊晶品質，我們利用了氣-液-固機制在藍寶石基板上先成長一層氮化鋁奈米柱層，使氮化鎵在成長的過程中產生磊晶側向延長。透過拉曼光譜的量測，我們計算出應力確實從1.25GPa下降至0.78GPa，有著明顯的改善。而透過穿透式電子顯微鏡的影像，相對於直接磊晶於藍寶石基板的氮化鎵發光二極體，發現貫穿式差排的密度明顯的減少，同時我們觀察到在奈米柱上方出現了疊層缺陷，這些疊層缺陷有助於阻擋貫穿式差排穿透至磊晶層表面。最後進行了變溫光激發螢光的測試，發現成長於氮化鋁奈米柱上的發光二極體的內部量子效應提升了12%。 隨著物聯網的發展，生物感測系統結合智慧型手機的研究逐漸蓬勃發展，第二部分的研究是希望透過氮化鎵發光二極體當作光源製作出葡萄糖濃度感測系統，提供一個快速準確的量測平台。首先進行氮化鎵發光二極體光電特性的量測。接著進行葡萄糖濃度的測試，透過折射系數的變化使光行進方向產生偏移，最後由接收端量測角度的變化，我們的系統有良好的線性趨勢，靈敏度能使每單位的折射率產生122°的變化。透過重複性的測試，得到了良好的結果，確保了系統的穩定度。替換光子晶體氮化鎵發光二極體當作光源，雖得到較高的訊號強度，整體的靈敏度沒有太大的改善。最後在飲料糖度檢測的實際應用中進行模擬測試，以及提出了結合於手機系統的雛型。
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這幾年來裸眼立體顯示器這塊研究領域越來越炙手可熱，不管在展示場或者是商家店面都漸漸有類似的應用。而光場立體顯示器(light field 3D display)又是其中很熱門的一種，透過設計非常多的視角畫面來滿足人眼所感受到的視深感受。 在本論文中，我們結合了雷射微投影機和光場顯示系統去架出了雷射光場顯示器(laser projection light field 3D display)，其系統的優點除了包含雷射投影的優點之外，還有著可擴張，節省成本，觀看視角廣等優點。我們的系統主要分成兩個，以變換不同的散射螢幕跟相對應的系統參數作為兩種不同的系統。而我們還以光學模擬軟體來模擬系統結果並與真實的系統情況做比較，並改變一些系統參數看出散射角對影像的影響。而後我們又以量測找出關於此種立體顯示器的詭影值(crosstalk)的分布，並與其它立體顯示器比較後有較好的效果。我們還以主觀性實驗去量化人眼對於影像的感知深度(perceptual depth)，並用量測實驗找出在兩種不同系統中不同的主觀性實驗結果中影響看到影像的視深因子，也估計出散射螢幕角要小到多少程度才會讓人眼視覺看到的立體影像跟真實狀況的物體接近。 在未來的研究上，可以將平面的螢幕改為曲面的螢幕，並觀察影像在這樣曲面的結構下會有一些較好的影像呈現效果。或者可以在雷射顯示器會有的特殊現象上雷射光斑(laser speckle)做研究。而利用演算法去解決光場顯示器中影像扭曲也是個研究方向。
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我們透過微縮元件面積、減少主動層厚度，並將表面電漿子耦合效應應用在藍、綠色發光二極體上以提高元件的調變頻寬。本論文中，我們比較三種不同的表面結構，分別為p型氮化鎵、利用氧化鎵鋅當電流擴散層和有表面電漿子耦合效應的隨機分佈銀奈米顆粒的效果，其中具有表面電漿子耦合效應，而元件半徑10微米的單層量子井，其藍色發光二極體測得的頻寬為目前可見光波段最高紀錄528.8 MHz。理論上當發光二極體的RC時間常數越小，可量得越高的頻寬，然而從實驗得知，當RC時間常數小於0.2奈秒時此效果會趨於飽和。從調製頻寬對注入電流密度和載子衰退時間的相依性來看，可證實調變頻寬與一特定時間常數成反比，而此時間常數與載子衰退率和注入電流密度有關。
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本論文將以光柵反射器的高反射器特性，將週期性的光柵圍成環狀光柵反射器作為cladding，將其視為一反射面使得電磁波能夠被侷限於由低折射率的空氣所組成的core內，藉由光柵反射器的高反射特性來設計中空介質共振器與中空介質波導。不同於傳統的光纖波導利用全內反射的機制，使得電磁波必須侷限於由高折射率介質所組成的core內，而利用光柵反射器做為cladding能使電磁波侷限在由空氣組成的core中，因此可運用於高功率的傳輸上。在中空共振器的設計上，若把光柵反射器當作一反射面使能量侷限於截面積方向形成共振，因此可視為一正向入射的光柵反射器，並透過調變介質的折射率對比與共振器的半徑大小比較對品質因子的改變。中空介質波導，則可視為一個平行溝槽方向入射的光柵反射器，將提供一個往z方向傳波的波向量，使得能量能侷限於空氣組成的core內，並往z方向上傳播，也將調變介質的折射率對比與波導管的半徑大小比較對衰減係數的改變。
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以矽材料為基礎的光電子元件 (Silicon-based Optoelectronic devices)，是未來整合光互聯 (Optical Interconnects) 和互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 系統，很重要的研究方向。特別是以矽量子點 (Silicon Quantum Dots) 為發光源的發光元件，被認為是高速傳遞訊號的光互聯系統中最重要的元件。因此，如何去提升矽量子點元件的發光特性並研究其物理機制，是很重要的研究方向。 本論文成功研製世界上第一個具金屬-介電質-金屬奈米共振腔結構(Metal-Insulator-Metal Nano-cavity) 的非晶矽量子點發光源 (Amorphous Silicon Quantum Dots Light Emitter)，並深入分析與驗證其新穎的放光增強物理機制。此研究利用光場模擬去設計最佳化與對照組奈米結構，並實驗性的去驗證利用表面電漿子 (Surface Plasmons) 提升非晶矽量子點放光特性的各種新穎的物理機制。 本論文提出一個新穎的物理機制，是世界上第一個利用奈米金屬光柵 (Metal Nano-gratings) 的侷域性表面電漿共振效應 (Localized Surface Plasmons Resonances, LSPRs)，與奈米共振腔 (Nano-cavity) 中的共振腔模態耦合效應 (Modes Coupling)，成功有效提升奈米共振腔中的非晶矽量子點的輻射性複合量子侷限放光特性 (Quantum-Confinement-Induced Radiative Emission) 的研究。此新穎的物理機制有效提升非晶矽量子點發光元件的發光強度 (Emission Intensity)，以及大幅度改善全世界應用表面電漿子窄化矽量子點放光頻譜的程度(Bandwidth narrowing)，窄化其半高寬值 (Emission Bandwidth) 至只有15 nm，有效增加矽量子點發光源應用在光互聯系統中的實用性。此外，我們成功的在低溫環境之下成長出矽量子點 (below 450℃)，使得矽量子點在互補式金屬氧化物半導體系統整合中，更具有實用性的應用。 本論文主要的研究可以分成三個部分: 第一部份 (第四章)，此研究是世界上第一個利用Fabry–Pérot type LSPRs效應，有效提升非晶矽量子點發光強度的研究。我們利用電子束微影技術 (E-beam Lithography) 製作奈米金屬光柵，研究奈米共振腔中的表面電漿子彼此之間的共振耦合效應，成功的使奈米共振腔中的表面電漿共振，呈現侷域性的表面電漿共振子 (Localized Surface Plasmon, LSPs)，並在奈米金屬線的側壁 (sidewall) 呈現Fabry–Pérot resonance型態，並在量子力學的物理基礎下，耦合非晶矽量子點和表面電漿子的近場強電場 (strong near-field)，有效提升非晶矽量子點發光元件的發光強度。 第二部份 (第五章)，此研究是世界上第一個利用具結構對稱性的次波長奈米金屬交叉光柵 (Subwavelength Crossed Metallic Gratings)，有效提升非晶矽量子點發光強度的研究。我們設計具有結構對稱性的次波長奈米金屬交叉光柵以及次波長奈米共振腔結構，成功的利用其較強的表面電漿共振耦合輻射效應 (Out-coupling)，以及較高的光萃取效率 (Light-Extraction Efficiency)，並在量子力學的物理基礎下，耦合非晶矽量子點和表面電漿子的近場強電場，大幅度有效的提升非晶矽量子點發光元件的發光強度。 第三部份 (第六章)，此研究是世界上第一個成功利用次波長奈米共振腔中的侷域表面電漿模態 (Localized Surface Plasmon mode, LSPs mode) 與光學上的共振腔模態 (Optical Fabry–Pérot cavity mode) 互相耦合的效應，有效提升非晶矽量子點發光強度的研究。此研究成功改善非晶矽量子點發光元件的發光特性，和沒有奈米金屬陣列結構的元件互相比較，優化的奈米金屬光柵發光元件，其發光峰值可大幅提升2.77倍，並且，其發光頻譜半高寬縮小至只有15 nm，有效增加矽量子點發光源應用在光互聯系統中的實用性。 本論文提出一個具有實用性的次波長奈米共振腔搭配奈米金屬光柵結構，在量子力學、表面電漿共振，以及奈米共振腔的物理基礎下，成功耦合非晶矽量子點、表面電漿模態，以及共振腔模態，有效提升非晶矽量子點發光元件的發光特性，有效增強矽量子點發光源應用在光互聯系統中的實用性。
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本論文中我們將看似不可行的材料─黑磷，從黑磷塊材上撕出奈米尺度的層狀黑磷並將其應用於電晶體中以用來探討奈米尺度下的二維黑磷材料的特性。因為黑磷本身有與空氣中水氧進行反應的趨勢，所以在此採用有別於一般二維材料的方法以保護黑磷來進行實驗。 本論文中我們採用了溶液式撕裂法，這種作法是相對於用於黑磷的機械式撕裂法是容易與便宜許多的。參考許多類似的研究而進行實驗並就製程參數的修改與步驟改良並在最後撕出從原本是 200奈米長寬的片狀黑磷到接近微米尺度大小，而微米尺度大小的層狀黑磷讓我們可以進一步使用於電子束微影製成用於電晶體的製作，進而探討黑磷的光電特性。 而我們在電晶體設置上採用了背閘極式場效電晶體的設計，這種設計著眼於可以先進行基板的製程再把黑磷轉印到基板上進而減少黑磷在製程過程中和大氣接觸的時間進而防止在製成過程中黑磷已經因為與水氧反應而效能衰退，而在本研究中黑磷因實驗需要而製於大氣下的時間是接近一小時。在電晶體製程完成後馬上光電特性的量測，從特性曲線和電流電壓特性曲線可以看到層狀黑磷是P型半導體特性並由特性曲線計算得黑磷場效電晶體的載子遷移率是365 cm2v-1s-1。而光特性的分析則得到層狀黑磷的光反應時間是在1.1微秒，在不同光強度去量測其光響應度是19.18 A/W。本研究中所製作出的光電晶體進行光電特行分析的結果顯示用溶液式撕裂法所製作出的光電晶體是可以和其他文獻中用機械式撕裂法所製作的黑磷電晶體有旗鼓相當的效能並顯示了層狀黑磷有很大的潛力用於電晶體和光偵測器這方面的應用。
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我們使用金屬有機化學氣相沉積的方式，成長氮化鋁鎵深紫外光量子井，並在上面成長123奈米的氮化鋁鎵覆蓋層。然後，我們在覆蓋層製作一維鋁奈米光柵結構產生表面電漿子耦合效果，來提升氮化鋁鎵深量子井的內部量子效率。透過量測低溫到室溫的光激發螢光頻譜，並且透過偏振片收光做比較，得出垂直極化和水平極化的內部量子效率。因為重(輕)電洞能階和分裂價帶的能階差異很小，導致垂直極化和水平極化的內部量子效率無顯著差異。垂直極化和水平極化有相近的內部量子效率，也可能是因為表面電漿子共振同時和垂直極化和水平極化的躍遷耦合。當發光極化方向和鋁光柵溝槽方向互相垂直時，耦合的表面電漿子共振模態由局域表面電漿子共振主導。當發光極化方向和鋁光柵溝槽方向互相平行時，耦合係由表面電漿極化子和局域表面電漿子結合而成。在激發雷射極化方向和鋁光柵溝槽方向互相垂直時，局域表面電漿子與雷射作用，產生更強的雷射激發而造成更高的內部量子效率。我們也發現鋁光柵結構底部和量子井的距離越近，量子井之內部量子效率越大。
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近年來，為加速實現全光通訊及進一步提升傳輸速率，許多研究學者投入心力發展矽光子學。在此論文中，我們利用了無雙光子吸收效應之富碳碳化矽材料來製作非線性波導，並以材料內之非線性克爾效應及自相位調變為主要研究目標。 首先，利用富碳碳化矽環形共振腔製備高速全光調變器，利用高強度脈衝引發非線性克爾效應實現高速率訊號調變達12.5 Gbit/s，在此研究中，可觀察到富碳碳化矽之非線性折射率約為1.37×10-12 cm2/W，另外，我們發現共振腔之穿透譜會因輸入光極化而改變，透過控制輸入光之極化，可提高環形共振腔穿透譜之消光比與品質因子，並進而優化調變訊號之品質，成功實現12-Gbit/s之全光非歸零開關訊號轉換與反向。 接著，為了提高材料的非線性特性，我們利用了高溫熱退火使富碳碳化矽鍵結重組，經過60分鐘退火後，觀察到材料中sp2鍵結訊號強度增強，預期材料之非線性效應亦隨之增強，相較於未退火時，在相同操作功率下，可觀察到非線性折射率從1.37×10-12 cm2/W提升至2.38×10-12 cm2/W，並同時提升轉換(或反向)後12-Gbit/s全光非歸零開關訊號之消光比、訊雜比及誤碼率。 最後，利用富碳碳化矽材料製備長度為9毫米之長直線波導，並觀察其自相位調變效應，實驗上，我們觀察到光譜縮減，這與常見自相位調變造成光譜拓寬之現象相違背，然而從非線性薛丁格方程式推導發現，當光在波導內傳遞時，負群速度色散與非線性自相位調變之交互作用確實會使光譜縮減，此外，亦發現當改變輸入光之極化時，光譜縮減量會被改變，這主要是因為TE跟TM光在波導內所面對之色散不同而導致，透過非線性薛丁格方程式之模擬，可得出當輸入光譜寬度由6.6 nm縮減至5.05 nm時，其波導色散值為 -10.3 ps2/m。
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本篇論文利用平板介質波導的物理特性配合電磁理論去估算出光柵反射器的品質因子，其中平板波導邊界電場受到介電質差異的擾動(perturbation)對於分析光柵反射器的品質因子有重要的影響，使用數值軟體計算各種結構參數光柵反射器的品質因子並驗證理論估算的品質因子，證明我們能藉由理論估算出光柵反射器的品質因子以省去數值軟體大量的計算時間。 藉由模態耦合理論(Coupled-Mode Theory, CMT)去分析光柵反射器的頻率響應，再由全波模擬的結果驗證光柵反射器的頻率響應頻譜，經由模態耦合理論可以省去模擬軟體大量的計算時間，也能獲得高準確度的頻率響應頻譜。
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可見光通訊亦即使用可見光做為訊號源的通訊系統，近年來 LED 已深入我們的日常生活中，許許多多的光源都漸漸地被 LED 所替換，如大型廣告、路燈和檯燈等照明到手機面板、各式螢幕等都使用 LED 作為其光源，因此以照明用 LED 作為訊號源的可見光通訊也逐漸發展起來。此種可見光通訊使用白光 LED 以人眼察覺不到的高速調變使其帶有傳輸資訊的功能，接收端則以光偵測器接收後經放大轉成電訊號至各種裝置如電腦手機等。 而此類使用既有照明用 LED 做的傳輸系統通常是單向廣播型的通訊系統，易於被外來物如人和手等遮斷，在沒有回傳的情況下訊號會因遮斷而遺失，因此設計出不需額外回授且能修復遺失資訊的方法是相當重要的。本論文所做的是一盞單向傳輸的檯燈型可見光通訊系統，電路方面使用市面上易取得的元件組裝而成，包含 LED 驅動電路、光偵測器與比較器接收電路和序列埠轉 USB (通用序列匯流排) 的模組。用 C# 語言撰寫程式並以電腦控制序列埠進行傳輸與接收，系統的設計目標為利用錯誤更正碼使 1 秒內被連續遮斷的遺失資訊皆能被修復，以達到對訊號遮斷免疫的效果。 本論文的重點在結合錯誤更正碼當中的漢明碼、交錯編碼與計算遺失資訊的時間戳記等技術，以實現一個可以修復不超過 1 秒長時間連續錯誤的編碼法，如此一來，當可見光通訊系統在傳輸的過程中，意外被人、手或其他飛行物遮住 1 秒時，可藉由程式運算來修復遺失的資訊，此法將使可見光通訊有更高的應用價值。