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以雙色飛秒雷射合成波行研究聚甲基丙烯酸甲酯的光熔蝕現象

在這篇論文中, 我們研究甲基丙烯酸甲酯(壓克力)之單色與雙色飛秒雷射熔蝕現象。光源是鈦藍寶石雷射產生之基頻()與倍頻(2)光，我們量測樣品上熔蝕之面積並計算熔蝕過程之臨界閾值分別為2.53和1.86焦耳每平方公分；在雙色熔蝕之實驗中，我們設計並架設了一個同軸實驗架構，且著重於熔蝕洞面積對基頻與倍頻光間相對相位之變化，其中，基頻與倍頻光之脈衝在時域與空間上都是重疊的，我們發現，當基頻與倍頻光之偏振態相互平行時，熔蝕洞面積之變化和相對相位有強烈之對應關係，當基頻與倍頻之比例為8%時，我們可觀察到面積調制深度達到31%，此現象可解釋為合成電場波形對熔蝕之多光子吸收效率的影響，此外，我們也發現， 當倍頻光相對於基頻光之比例越來越高時，這種調制現象則變的不明顯，而此種現象可解釋為，倍頻2之雙光子吸收激發相對於基頻之三或四光子吸收激發，逐漸主導了熔蝕現象。

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由似噪音脈衝產生超連續光譜應用於光學斷層掃描之研究

在本論文中我們設計並建立了一個高解析度的時域光學斷層掃描系統。光源為似噪脈衝在單模光纖中產生的超連續光譜。似噪脈衝有著穩定的重複率，在次奈秒的波包中有著快且速隨機變化的結構。其寬頻與經過光纖傳遞不易變形的特性可以有利於產生超連續光譜。此光源的中心波長為1060奈米，產生的超連續頻譜半高寬可以大於超過320奈米，使其在光學斷層掃描中有潛力達到小於1.6微米的解析度。我們將本光源利用於包含縱、橫向掃描的自由空間麥可森干涉儀估計光學斷層掃描的解析度。實驗得到的點擴散函數與重建圖顯示本光源之縱向解析度可以小於5微米。

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石墨烯在兆赫波段光電特性之量測及其在兆赫波段液晶相位調制器之應用

石墨烯同時具有優異的光學穿透率、導電率以及載子遷移率等特性，使得它有相當高的潛力可以廣泛應用於各種元件，包含高功率元件、光電感應器，兆赫波段元件等。在本論文中我們研究利用石墨烯製作於兆赫波段的液晶相位調制器。 我們藉由整合光導天線與雷射光激發電漿兆赫波時域光譜儀量測結果分析而獲得單層與雙層石墨烯薄膜在0.2 - 1.4 THz 波段的光學穿透係數，並分析之可得到樣品之寬頻複數導電率。利用Drude自由電子模型(Drude free-electron model)擬合可進而獲取其電性參數，諸如電漿頻率、散射時間、載子遷移率，以及直流導電率。相比另一種兆赫波段透明電極，銦錫氧化物奈米晶鬚（Indium-tin-oxide nanowhiskers），石墨烯的穿透率較低，但是具有更高的導電率以及載子遷移率。 接著，我們利用石墨烯作為透明電極製作兆赫波段相位調制器，並以光導天線兆赫波時域光譜儀量測其調制相位隨外加電壓的變化。施加約莫2.2伏特的偏壓於石墨烯相位調制器即可改變1.0 THz的訊號達相位π/2，相較之下，早先研究的銦錫氧化物奈米晶鬚相位調制器則需要約5.6伏特才可達到相位π/2。另一方面，我們使用多夾層結構提升銦錫氧化物奈米晶鬚相位調制器達相位2π調控，其工作電壓約為2.6伏特。此工作電壓可與薄膜電晶體以及互補式金屬氧化物半導體技術相匹配。我們用來擬合實驗數據的液晶隨電壓偏轉模型，理論趨勢與實驗結果非常相符。

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適用於入侵偵測系統之光纖干涉儀研究

以光纖為本體的周界安防系統多以干涉儀為主，其中又以桑克干涉儀所製成的系統為最常見，相較它種的光纖式干涉儀，光纖式桑克干涉儀對環境值較不敏感，不易產生誤判的情形，十分適合應用於周界安防之上，而本實驗係以光纖式的桑克干涉儀做為實驗架構的基底，透過改變桑克干涉儀原有的配置，藉以消除桑克干涉儀既有的響應與位置有關的特性，使得實驗架構能靈活的應用於入侵偵測上。 本實驗透過模擬實驗架構的輸出，藉以分析實驗架構的特性，並搭配實際的實驗，經由比對兩者之結果，藉以獲得實驗架構之特性。

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藉由功率量測之溫度無感傾斜感測器

在我們的實驗中，我們希望做出以兩個FBG當作傾斜感測器，傾斜裝置的側向力作用在FBG上使FBG頻譜飄移，並用PD(Photo detecotr)量測功率變化來判斷傾斜方向及角度，跟其他文獻比較起來，量測波長需要用OSA(Optical Spectrum Analyzer)其成本較高，若只單單用功率量測只需要用到 PD(Power Detection)其成本比OSA更有競爭力，同時將兩個FBG串聯互相當作參考用以達到溫度無感的效果。

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利用SU-8聚合物製作的光波導方向耦合器之可調式微流體分光器模擬研究

本論文設計一可調式分光器，使用聚合物光波導方向耦合器，導光層為高分子聚合物SU-8、下披覆層為SiO2，並在方向耦合器上方建置一流體渠道作為上披覆層，藉由調變流體渠道中的流體折射率使得此分光器在輸入TE模態之1550nm波長光時可以得到任意的分光比例。 接著改變元件的結構設計一極化無關的可調式分光器，模擬結果雖然完全達到極化無關可調式分光器，但也已經降低了TE模態與TM模態分光功率的誤差，並且在流體折射率1.46時單一點可以達成極化無關，即TE模態與TM模態之耦合長度相同。

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高折射係數比且高微縮之微環型共振腔製作與分析

由於以矽為基板的微環形共振腔元件因為其小尺寸、可因應各式各樣的應用、具有量產的能力，以及與現存IC製程技術相容，使得此元件正吸引許多研究團隊的注意;因此，應用於高折射率比(high-index-contrast)之微環形濾波器的奈米製作技術，元件參數萃取與特性分析能力尤其重要。 這篇論文的主要目的是利用電子束之奈米製作技術開發高品質因子(quality factor)與極微縮(ultra compact)之微環形共振腔(microring resonator)於矽基板上提供未來高自由頻譜範圍(large FSR)與狹小通道寬度(narrow pass-band)的高密度分波多工技術(DWDM)之應用。實驗的設計利用單一波導耦合共振腔的結構，搭配時域波導耦合理論(coupled mode theory in time domain)萃取元件光強度損耗參數與光強度耦合參數，提供於多環結構(multi-ring)之光電轉換開關(optical switch)之元件設計參數來符合高密度分波多工技術規格。搭配等效折射率法(EIM)與时域有限差分法(FDTD)執行穿透頻譜分析方法，正確的分析並預測元件特性，同時驗證實驗結果。 藉由分析穿透頻譜的方法，我們發現波導耦合微環形共振腔之結構會產生光強度之輻射損耗(radiation loss)，隨著耦合間隙(gap width)的縮減，輻射損耗劇烈的上升，光強度耦合係數伴隨著共振腔之不同光學損耗，此結果為波導耦合共振腔元件提供了新的設計思維，根據在高折射比且半徑2.75微米(μm)的矽環形共振腔的模擬結果中顯示，其功率耦合係數在間隙100奈米時僅4%，但光強度輻射損耗達到0.0625dB/周長，這嚴重的影響多環光開關的設計與特性。利用間隙耦合誘發輻射損耗的現象，當間隙大小符合微擾耦合(weak coupling)條件時，可以求出微環形濾波器的本質(intrinsic)光學損耗，此方法為目前最正確且精準的方式來計算出波導耦合之共振腔其光學損耗。同時也發現環形共振腔模態與耦合區域(coupling region)產生之模態干涉產生法諾共振 (fano resonance)造成穿透頻譜的不對稱。為了避免因狹小間隙引發輻射損耗的發生，文中提出以錐形波導(taper waveguide)鑲入光強度耦合區域及保角耦合結構(conformal racetrack)來增加光強度耦合係數並降低輻射損耗。 透過改變圖形切割與電子束曝寫方式來減少因曝光製程所引起的波導側邊粗糙度，提升共振腔品質因子，且在矽基板上實現高品質因子與極微縮之微環形濾波器，其寬度0.5微米、半徑僅1.75微米、半高寬(FWHM)0.143奈米(nm)、品質因子在TE偏振模態下為10,938。實驗結果中觀察出高折射率比(high-index-contrast)之波導耦合共振腔元件具有因狹小間隙(gap width)誘發輻射損耗之效應，以半徑2.75微米、寬度0.5微米的微環形濾波器為例，本質光功率損耗係數為0.01382dB/周長，在間隙200奈米時，光功率損耗係數為0.03455dB/周長、輻射損耗係數達0.02dB/周長。利用量測新加坡IME公司所製作之試片，顯示在248奈米光源製程設備下，微環形濾波器因製程因數共振波長的變動量標準差約0.4 nm、群速度的變動量標準差約2×10-3 。

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臨界電壓可調式之可三維堆疊嵌入式源/汲極超薄通道電晶體

這篇論文提出了使用尖峰式雷射結晶(Pulse Laser Crystallization)技術，成長出高品質的多晶矽材料，稱之為“類晶矽”(epi-like Si),而其低熱預算的特性(<450℃)相當利於發展累加型三維堆疊元件及晶片。伴隨者化學機械研磨技術我們亦成功的製做出三維堆疊式50nm 節點超薄通道(T_Si=14nm) n/p-金氧半場效電晶體，而其具有較陡峭的次臨界擺幅(88 and 121 mV/dec.)和較高的開路電流，相較於未經過化學機械研磨減薄的元件(T_Si=50nm)，不僅有較佳的電特性外更也能在高溫操作下，保有元件的優異特性。 藉由材料的分析，我們亦可發現雷射退火技術可使非晶矽薄膜轉換為具1000 nm晶粒之多晶矽薄膜。同時利用化學機械研磨可將其表面平均粗糙度由37A降低為5A，透過拉曼光譜和XRD分析其他屬性也將在論文裡面討論。 當元件尺寸不斷的微縮，源/汲極區高接觸電阻將使得元件的驅動電流降低，而本技術提出之背電極自我對準嵌入式源/汲極的結構，可藉由提升源/汲極的厚度，進而有效的降低接觸電阻，相較於無嵌入式源/汲極的結構的元件，此結構可有效提升元件的驅動電流約20%~30%。 另一方面，在低熱預算及高元件性能之基礎下，我們也提出一種具有獨立的背閘極(BG)的元件結構應用〖3D〗^+-IC，使得元件之臨界電壓可更容易地被調整往正或負方向位移，即使是奈米線的通道寬度(WFin)被縮小到只有20nm,(這將使得更難以背電極控制元件臨界電壓)，此結構仍然有相當高的臨界電壓控制力，可由高臨界電壓調整因子得知(γ>0.05)。此外，由於量子侷限效應，納米線通道還帶來了另一個優勢，即此元件對溫度變化相對較不敏感，如此具有高臨界電壓調整因子及低溫度敏感度(low temperature sensitivity)之嵌入式源/汲極矽奈米線場效電晶體，在積層型三維堆疊元件集成電路上，可實現低的閉路電流和高的驅動電流的理想操作特性。

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脈衝塑型器輔助之超快任意光波形量測與組合

任意光波形可藉由對脈衝光譜的每一根譜線做獨立之振幅、相位之調變而達成，此一技術可在時域上實現100%工作週期之光脈衝序列。若更進一步對脈衝的兩個正交電場成分做獨立之振幅、相位調變，則可以將純量場任意光波形推廣至具有時變極化態之向量場任意光波形。除了達成理論上光場複雜度的極限，這類光場可用於具飛秒級時間解析度及奈米級空間解析度之電漿子元件選擇性激發。 傳統上純量場或向量場超短脈衝的量測可藉由產生ㄧ對孤立的相同脈衝做時間取樣或頻譜干涉。然而工作週期達100%之任意光波形無法在時域上完全分離，增加了量測的困難。已發展的量測技術需使用轉換極限脈衝或同步射頻訊號等參考訊號來輔助量測。然而轉換極限脈衝取得不易，且量測超高重複率脈衝序列(如重複率為1011赫茲之刻爾光頻梳)時，射頻訊號會有頻寬不足的問題。 本論文致力於使用全光學技術，在不需冗長的迭代演算法與高速電子元件之下量測及合成任意光波型。所發展之脈衝塑型器輔助量測系統容易精確校正系統參數、具有極佳的量測準確度、且將量測及合成整合為單一系統。實驗架構適用於極限紫外光波段，並可應用於量測超高重複率脈衝序列。

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積體化矽基高速發射器應用於光連結系統

由於矽光子學元件高度相容於先進半導體製程技術，具備大量生產能力、高密度整合特性，透過光纖，以光訊號傳輸，有高頻寬、低損耗優勢，因此近年來吸引許多研究人員投入，過去幾年來的努力，積體化光調變器、光偵測器可實現40 Gbit/s以上高速的數據傳輸，未來非常有機會可應用在終端的光發射器以及光接收器，作電/光或光/電轉換。 透過自由載子的濃度改變量造成的色散效應是目前應用在光調變器中，常見的機制。一般可以分為注入式與空乏式的光調變器，空乏式光調變器操作速度受多數載子生命週期主控，因此操作速度比注入式光調變器要快，但，空乏式光調變器的調變效率不如注入式光調變器來得好，因此元件尺寸較大，為了使空乏式光調變器有更好的調變效率，重參雜區域必須儘量靠近光波導中心附近，然而，卻同時造成更多的自由載子吸收，因為如此，許多研究團隊，提出pipin diode與doping compensation method的方式，改善調變效率，同時抑制額外的自由載子吸收，但，這兩種方式需要很精確的控制參雜濃度分布。有鑑於此，我們提出邊緣場pn接面(fringe field pn junctions)光調變器，可有效提升調變效率與降低自由載子吸收，此外，以元件製程的角度看，fringe field junctions的位置是由自我對準離子佈植(self-aligned ion implantation)所定義，因此pn接面的位置可被準確地控制在光波導兩側。 積體化光發射器，因尺寸小，若要與光纖結合，因光波導與光纖界面的面積尺寸差異一百倍以上，因此波導與光纖界面的耦合損耗至少會超過20 dB，目前，grating coupler與inverted taper是目前常見的改善方法，grating coupler收光面積大，對於光纖的對準誤差容忍度高，但穿透頻譜窄，因此可利用的光波長有範圍的限制，而inverted taper的穿透頻譜寬，有利於結合WDM作多通道的光發射器，但是，受限於截面積大小(~3 um)，光纖的對準誤差容忍度大約1 m。因此，我們以SU-8光阻利用玻璃基板壓印的方式作垂直方向taper，微影製程作側向taper，其taper截面積從10 um x 10 um(寬 x 高)漸變地縮小至4 um x 1 um的SiON光波導，再透過inverted taper，將光波從SiON 波導耦合進入矽奈米線，透過實作與量測，從光纖到矽奈米線的耦合損耗為2.8 dB (TE模態)，穿透頻譜趨勢平坦，有利於結合WDM作多通道光發射器，光纖的對準誤差容忍度為~3 um，相對降低對於元件封裝上的困難度。