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以高密度化學氣相沉積系統製備非晶矽及多晶矽太陽能電池之薄膜特性分析

因申請專利緣故，資料延後公開

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利用週期性極化反轉結構產生高階和頻諧波

本研究重點為利用模擬來設計週期性極化反轉鉭酸鋰多段式晶體，期望達成多個諧波同時輸出，拓展現有的多諧波輸出技術，增寬頻譜範圍使脈衝壓縮的更短。配合合成波形技術，達到次飛秒的超短脈衝光源，更加接近有效觀察及控制電子運動的目標。本篇論文主要分為光參振盪器及準相位匹配之理論介紹、模擬和設計非線性晶體、製出晶體之量測結果與分析，在論文最後附上可程式化全光譜雷射波長轉換系統的晶體效率量測。 理論部分介紹非線性頻率轉換、光參振盪器及準相位匹配。晶體設計與量測部分，介紹了晶體各段週期的計算，接著藉由一種特殊型式週期分佈的非線性晶體實際量測晶體週期，決定多段式晶體週期的佈局，再由程式模擬出有最佳轉換效率輸出的長度搭配，成功配製出一多段式晶體可以同時達到七個準相位匹配的諧波輸出。最後附件為量測和頻與差頻晶體的轉換效率，協助龍彩科技股份有限公司開發可程式化全光譜雷射波長轉換系統，然而差頻晶體的量測以超過1%的轉換效率突破文獻所達最高轉換效率。

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利用電漿子螺旋溝槽產生並塑形近場光漩渦

本論文利用有限差分時域法模擬表面電漿的光漩渦現象，其中描述光漩渦基本性質的參數為光漩渦的拓樸荷數，其決定在 方位角內電場相位奇異的數量。影響表面電漿光漩渦拓樸荷數有兩個主要因素，一個為決定電漿子螺旋元件幾何結構的幾何荷數，另一個為入射此元件的平面波圓偏振態光內的光子自旋角動量。本論文探討兩者之間的關係，分析空間中表面電漿光漩渦分佈的基本特性。此外，創新的改變電漿子螺旋元件的結構分佈，可以適當的控制近場光漩渦在空間中的強度分佈，且不改變表面電漿光漩渦的拓樸荷數及其本身的性質。 　　實驗上，樣品製作以熱蒸鍍鍍製金屬薄膜至蓋玻片基板，再以聚焦離子束磨銑出電漿子螺旋微結構。近場光學量測方面，本論文利用一自行架設的收集式近場掃描光學顯微鏡，搭配垂直入射激發樣品之光路，以及剪切力回饋的掃描方式量測電漿子螺旋元件產生出表面電漿光漩渦的近場訊號。最後將近場量測數據與模擬數據作比較與分析，得到非常相似的結果證實電漿子螺旋元件設計原理的正確性。

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微波與光時間傳送技術及其在光電震盪器上的應用

本論文目的在研究精準的時間傳送技術，並將此技術延伸到光電震盪器的研發上。對於微波領域的時間傳送技術而言，衛星雙向傳時是目前國際上用來長距離精準比對時間與頻率標準的主要技術之一，本論文提出兩種新方法來提升衛星雙向傳時的精度。其一為利用衛星雙向傳時網絡上的大量比對數據來改善單一鏈路短期穩定度的方法，透過亞太地區衛星雙向傳時比對數據的分析，我們展示此方法可以改善氫原子鐘傳時比對的短期穩定度平均達22%，以日本情報通信研究機構(NICT)與台灣電信研究所(TL)的例行氫原子比對鏈路為例，在1小時平均時間的時間不穩定度從91皮秒(ps, 10^-12 s)降到72皮秒以下。另一項研究，目的不僅是要進一步提升衛星雙向傳時的精度並朝更有效利用衛星頻寬而設計，我們與日本情報通信研究機構合作利用軟體無線電系統的技術，產生雙虛擬電碼的展頻信號，來進行新式的衛星雙向傳時比對。首次跨國長距離的比對實驗進行了半年，數據顯示其短期穩定度優於國際度量衡局(BIPM)所計算的GPS 精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)技術結果，長期穩定度則與例行的衛星雙向傳時結果一致；分析從1秒到1天(即86400秒)所有平均時間的時間穩定度，此技術皆可優於75皮秒，這是國際上一個新的紀錄。由於雙虛擬電碼租用兩個分開20 MHz頻寬距離僅佔200 kHz的衛星頻道，此兩個窄的頻道物理上即可達到與20 MHz頻寬信號的相同精度，節省了昂貴的衛星租用費，故此方法已成為國際上高度重視的衛星雙向傳時新一代技術。 相較於微波領域對於頻寬的限制，利用光纖來傳遞時間信號已成為高精度傳時的發展趨勢。於是我們以共同路徑的光纖鏈路進行雙向傳時比對實驗，結果顯示25公里光纖傳送路徑受環境因素影響的時間延遲變化達2奈秒(ns, 10^-9 s)，透過雙向傳時方式消去後殘餘的峰值變化量僅有83皮秒，我們進一步分析這些殘餘的變化主要是兩端傳時設備沒有完美同步到參考信號所造成。由於共同路徑的光纖鏈路具有高度的對稱性，此系統傳時穩定度可優於7皮秒；而平均時間10^5 秒的頻率穩定度可達1.9×10^-16。 延伸微波及光傳時技術的研究，我們提出將時間傳送技術延伸應用到光電震盪器的研發上。光電震盪器是利用混合光路與微波元件的方式，來產生超低相位雜訊的高頻信號源；在這個前沿的研究課題中，多數的團隊都致力於降低相位雜訊的研究，少有針對長期穩定度的研究。鑒於典型光電震盪器採用長距離光纖扮演共振迴路，以達到高品質因子(Q-factor)的目的，我們提出利用傳時技術的展頻調變方式產生監控信號注入震盪器，可用於監測並穩定光纖共振迴路的用途上。相位雜訊的量測證實注入的監測信號並不會對震盪信號產生干擾；透過長期的光纖時延監測及震盪器頻率量測數據，本論文驗證該方法的理論基礎，及討論延伸的改善方法。論文的最後，針對光電震盪器參考信號注入式鎖定的特性進行研究，藉由監測光纖的時延，我們指出此注入式鎖定的光電震盪器的相位與其參考信號會因光纖時延的長期變動而改變，此現象不僅會劣化光電震盪器的特性，並可能導致失鎖。本論文提出利用監控光纖時延來穩定震盪器相位的方法，具有此功能的震盪器可望作為原子頻率標準的本地震盪器，實現10^-15等級頻率穩定度的原子鐘。 本論文的研究，對於微波領域的時間傳送技術及光電震盪器的發展上，都有開拓性的貢獻。

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非線性系統中的渦流對不穩定性

因為現代光纖通訊系統訊號的光pulse持續時間已壓縮至飛秒(femto-second, 10-15s)以下，如此短的持續時間將使得振幅變的很大，是故傳播時我們必須考慮因光強度所造成的非線性效應(nonlinear effect)，而我的論文就是以Nonlinear Schrödinger equation (NLSE) 作為最基礎的model，然後因應不同情況替換不同的非線性項，觀察各種新的非線性項所帶來的特殊現象。 在介質的分類上，若對入射電磁波的變化立即反應(response)的我們稱此介質為具有瞬時性(instantaneous)特性。不過此種特性只存在於理論上的理想介質，實際的介質都需要一定的反應時間(relaxation time)，為非瞬時性(non-instantaneous)特性，為了描述此特性，我們把最初始的NLSE非線性項替換成具有介質反應時間的非瞬時項，並觀察swinging soliton在此特性下傳播與一般soliton在Kerr medium傳播的不同結果，以及推導non-instantaneous MI在此系統下的不穩定性係數公式。 另外一個主題是關於渦流對的研究，首先我們必須確立特定存在的解型式，本篇論文將以variational method來尋求渦流對(vortex pairs)的解型式。以在nonlocal medium中為例，利用Lagrange equation我們可以找出給定外加激發能量P下與寬度w的關係，滿足此型式的渦流對的解才能滿足原nonlocal NLSE。再來將此型式的vortex pairs當作一背景平面波下的微擾(perturbation)並仿照前述MI的growth rate h2的推導，我們可以依樣畫葫蘆的寫出屬於vortex pairs的h2 公式。

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全溶液製程製作高效率的白光有機發光二極體

一般而言，利用真空蒸鍍製程可製作出高效率的有機發光二極體，但大尺寸的真空系統本身所耗費的成本高，且有機材料大部分沉積在真空系統的腔壁而浪費，因此溶液製程是一個理想的方式，對於去製作一個低成本且大面積的有機發光二極體。本論文以純溶液製程製作高效率的白光有機發光二極體為主軸，一般使用溶液製程的小分子有機發光二極體在電子傳輸層也還是使用蒸鍍的製程，導致製程上的複雜，而我們的元件包括電子傳輸層也是使用刮刀塗佈的溶液製程方法。首先我們以刮刀塗佈製作三層發光層的磷光白光元件，三層發光層結構以兩層藍光發光層中間夾一層橘光發光層為基礎，搭配不同各傳輸層材料進行實驗。以PQ2Ir此橘紅光材料搭配FIrpic此藍光材料形成三層發光層。但製作多層結構時疑似產生互溶問題，所以導致元件整體效率與文獻差很多。其次我們以雙層發光層結構製作磷光白光元件，並以PO-01-TB替代PQ2Ir當橘紅光材料，而整體元件效率比前者提升了很多。再來，我們將發光層簡化為單層結構，使用一個擁有較高三重激發態能量以及雙極性的主發光體26DCzPPy，且因主發光體的高三重激發態能量會使三重激發態的激子侷限在客發光體當中，而雙極性也能達到載子傳輸的平衡，進而得到高效率磷光元件。最大的電流效率為48.9 cd/A、最大的EQE為16.8 %，元件在100 nits亮度下，元件亮度功率效率為17.7 lm/W，1000 nits亮度下，元件亮度功率效率為19.6 lm/W，而CIE座標在1000 nits亮度時為(0.33,0.46)。

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基於半導體雷射非線性動態產生之可調式超寬頻與高頻微波信號及其應用之研究

本論文主要內容為實驗證實利用半導體雷射非線性動態可產生可調式超寬頻及高頻微波信號，與其於微波光電之應用。在本論文中，我們提出及研究周期性光脈衝注入 (repetitive optical injection) 及雙光注入 (dual-beam optical injection) 之新式光注入結構，發現其系統具有低系統複雜度、高可靠度、高穩定性、及低雜訊干擾等特色。再者，亦發現利用新式光注入架構可產生之微波信號具有極寬頻、高度穩定、及極窄頻線寬等優點。 基於光電回饋系統之非線性動態，藉由準確調整回饋強度及延遲時間，周期性連續光脈衝信號可以自發性產生於主雷射之輸出端。將其應用於周期性脈衝光注入系統中，藉由調整注入派衝光之周期及脈衝強度，發現相較於等幅 (cw) 光注入系統更豐富的非線性動態，其中最重要的莫過於鎖頻態 (frequency-locked state)，基於光注入產生之頻寬增益效應，於振幅擾動限制±5 dB情況下可產生超寬頻 (20 GHz) 之電梳 (microwave frequency comb)，可更進一步應用於微波光電之途。 為進一步分析產生之寬頻電梳特性，於頻域上，我們量測並比較每個梳線之單邊帶相位雜訊 (single-sideband phase noise)；於時域上，測得29 ps 之脈衝寬度及18.7 ps之定時抖動 (rms timing jitter)。發現產生之寬頻電梳具有高度的穩定性及低雜訊干擾，非常適合進一步之應用。另外，我們亦實驗論證利用產生之寬頻電梳於頻率轉換 (frequency conversion)、通訊廣播 (broadcasting)、及任意通道選擇 (arbitrary channel selection) 具有良好的系統效能及轉換效率。 實驗上我們亦研究透過光脈衝注入系統產生之超寬頻訊號通過光纖傳輸 (ultra-wideband (UWB) -over-fiber)之可能性，利用2公里長之光纖及一對寬頻天線驗證後，發現超寬頻訊號通過光纖傳輸 (ultra-wideband (UWB) -over-fiber)之可行性。並得知產生之超寬頻訊號具有極寬頻寬，具有93%之部分頻寬 (fractional bandwidth)，其遠遠超過Federal Communications Commission (FCC) 所設之規範。 再者，在無任何外在頻率穩定機制情況下，利用鎖相雙光注入系統可產生約120 GHz 之高頻可調式微波訊號。為比較與其他機制所產生之微波訊號如單光注入 (single-beam injection)、光混合 (optical mixing)、非鎖相雙光注入 (unlocked dual-beam injection)，這些系統所產生之光譜及頻譜均被仔細比較並討論。我們發現鎖相雙光注入所產生之微波訊號具有較寬之可調性及較低之功率擾動。 在本論文中，我們亦將所產生之超寬頻及高頻微波訊號與市面上量產產品及其他利用方法產生之訊號作比較，發現我們所提出的系統具有窄線寬、低雜訊、高穩定性、較寬可調範圍、及低系統複雜度之優勢。

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利用快速熱熔再結晶法製作金半金結構之面收型鍺紅外光光子偵測器於矽基板上

多年來，在半導工業上多以Si晶圓作為材料，其優點有成本低、取得容易、產能大，但近年來由於光纖通訊的迅速發展使得人們對於紅外光長波長的通訊波段有著極大的需求，而光電元件也相應設計可應用於紅外光波長。以光學設計之角度來看，Si的能帶約1.11 eV且其對1310~1550 nm的紅外光吸收係數非常的弱[1]，反觀Ge的能帶約0.67 eV且其對紅外光波長具良好的吸收係數，因此Ge材料更適用於紅外光通訊元件。 在紅外光光子偵測器的研究，已有許多文獻被提出，其中MSM架構下的光子偵測器具有速度快、製程簡單的優點，但由於金屬與鍺之間的蕭特基位障由費米能階釘位(Fermi level pinning)效應所影響，文獻指出通常在電洞端的位障較低，而此較低的位障易造成較大的暗電流，然而許多文獻也針對此問題來討論如何降低暗電流(dark curent)的影響，例如：摻雜(dopant)、非對稱金屬電極、表面鈍化(passivation)，而本論文利用結合快速熱熔再結晶法(rapid melting growth)、表面鈍化、不同退火(RTA)條件的方式來來達到降低暗電流的目的，另外在模擬上模擬出元件的吸光效率來計算對紅外光波長的吸收，最後在量測上比較各元件的暗電流、光電流、訊雜比、光響應度。

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整合微液珠光學共振腔及液態波導應用於微流體染料雷射

近年來微流體(microfluidic)技術因為具有容易製作、低成本以及整合性高等特點，被廣泛的整合並運用於實驗室晶片(Lab-on-chip)系統上，為了將微流體與光學系統進一步的整合加以應用，我們提出一個微液珠液態雷射的構想，利用微流體技術產生摻有染料的液態球形光學共振腔，結合部分結構化的微流道做為光波導包覆層，形成動態可調光學共振腔與液態波導的組合，其中液態波導是用來將液珠所產生的光學共振模態WGM (Whispering Gallery Mode)向外耦合，以萃取特定波段的受激發雷射光。實驗中的液珠材料為苯甲醇其折射率為1.54並將其摻入增益介質(gain medium)R6G(Rhodamine 6G)，摻入濃度控在3mM，而液態波導核心材料則選用折射率較低的礦物油其折射率為1.48，當材料選定後，先利用有限元素法模擬設計幾組不同的液珠大小以及單模液態波導結構尺寸，再分別加以實驗測試。本實驗我們設計了三種不同結構，分別量測比較，發現具有光波導結構的設計能有較佳的雷射出光效能，間接證明了液態波導的作用性，是可以利用液態波導將液珠雷射耦合出來，以及量測到的液珠雷射其閾值(lasing threshold)約為0.32mJ。