交通大學光電工程系所學位論文
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我們提出於氮化鎵和藍寶石基板介面製作倒六角型金字塔結構，以提高紫外光發光二極體的效率。該倒六角形金字塔結構係由非等向性化學蝕刻而成。該紫外光發光二極體，歷經磊晶中斷、蝕刻後再成長的過程。我們分別從TEM剖面圖及XRD中，觀察及量測到較少的穿透缺陷與較窄的晶體繞射半高寬。我們提出了多階層側向磊晶(ML-ELOG)機制以解釋穿透缺陷減少的原因。該樣品在20毫安培的注入電流下，其電激發光之軸向光發光強度相較於參考片提升了120%，而積分強度則提升了85%。 我們透過光追跡模擬及遠場光學實驗，以佐證紫外光發光二極體具倒六角型金字塔結構下之量測結果。此具倒六角型金字塔結構之發光二極體，可藉由氮化鎵-空氣-藍寶石基板間的折射率差異與幾何結構，使光線得以重新導正至軸向光因而使視角減小。此倒金自塔結構可有效提高發光效率，並可藉由部份的應力釋放及多階層側向磊晶機制以減少氮化鎵中穿透缺陷來提高磊晶的晶體品質。 此外，我們可利用該此倒金自塔結構於介面造成的脆弱特性，近一步使用熱壓法去除藍寶石基板以製作thin-GaN發光二極體。實際上，我們亦已大面積地利用該結構以機械式剝離法剝離藍寶石基板。
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薄型化液晶電視（Slim format LCD-TV）逐漸成為顯示器市場趨勢。然而，在模組厚度減低時，傳統背光系統面臨均勻度不佳等問題。設計高均勻度的超薄型背光系統成為液晶電視薄型化關鍵所在。本論文應用外層螢光發光技術（ External Photo-fluorescent Technology），提出兩種應用於大尺寸直下式背光系統的光致激發 平面光源模組：紫外光激發式平面光源模組（UV Excited Flat Lighting System, UFL），以及藍光激發式平面光源模組（Blue-Light Excited Flat Lighting System, BFL）。然而，這種平面光源模組卻面臨了複雜的波長轉換機制，無法在模組硬體建立前先藉由 光學模擬軟體對系統結構優化。為了解決這個問題，本論文提出一套可信賴的波長轉換機制光學模擬模型，成功地詮釋UFL 模組以及BFL 模組當中的光學特性。進一步藉由此光學模型，針對BFL 背光模組設計凸透鏡薄膜（Lenticular Film）提高正向視角亮度，並改善側向視角色偏現象。藉由模擬和實驗結果，UFL 以及BFL 背光模組成功地在超薄厚度下展現高均勻度表現；使用凸透鏡薄膜也成功地提昇BFL 背光模組正向亮度，同時減少大角度色偏移。
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我們利用熔鹽合成法來合成並控制BaTiO3奈米結構的形貌如球狀、立方狀和柱狀奈米結構。本實驗中，所有的產物都是經由BaO/BaCO3與TiO2在NaCl-KCl低共熔混合物中以溫度700 °C、1小時的條件成長。接著，我們使用粉末X光繞射分析儀、場發射掃描式電子顯微鏡以及穿透式電子顯微鏡去檢測樣品的奈米結構及形貌。最後，我們提出並利用BaTiO3奈米結構在熔鹽中的預測合成機制來說明BaTiO3奈米結構在反應中的原地生長機制，並且歸納出TiO2的起始形狀以及前驅物的溶解度會影響BaTiO3產物的形狀。
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隨著顯示技術的日益提升，低耗電率、高對比度且廣色域之綠色顯示科技成為下一波發展趨勢，採用光效率高的發光二極體作為背光光源，包含背光分區調變的高動態範圍顯示系統，以及不需彩色濾光片之場序型液晶顯示系統。然而彩色動態背光增加色彩複雜度，以致於影像產生色彩偏差現象，降低影像品質，因此提出色彩優化模型實際驗證在高動態範圍液晶顯示器與色序型顯示器，達到準確的色彩色度重現，維持影像細節並降低功率消耗，可廣泛的應用在顯示科技。 在紅(R)、綠(G)、藍(B)三色發光二極體分區調變光源下，考慮背光分佈與影像本身色彩亮度，建立色彩優化模型已經成功地應用在37吋高動態範圍顯示器上，使得整體色差可以小於2.5∆E00(為人眼可接受的色差範圍)，並且成功地維持畫面細節。此外，在紅(R)、綠(G)、藍(B)、白(W)四色發光二極體背光模組，提出考慮色彩模型優化色序型演算法RGBWw與RGBDw，已成功在15.4”色序型顯示器驗證，尤其以高效率RGBDw演算法整體色彩表現與原始影像之色差僅為0.6∆E00，相對於傳統RGB循序法影像品質，該方法大幅抑制77%色分離現象，其功率消耗降低至77%。 應用色彩優化模型於綠色能源顯示技術，除了維持節能廣色域之目的，也提供觀賞者良好的影像品質，極具發展未來高影像品質顯示技術之潛力。
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首先在第一章、第二章的部分，簡單的介紹非線性頻率轉換、準相位匹配、隨機準相位匹配、光參振盪器的理論。第三章，主要是多段式晶體的設計與實驗細節介紹，在單一塊週期性鉭酸鋰晶體中，產生七道諧波，其中二、三、四、五道諧波為準相位匹配所產生的結果。由這些諧波所合成的脈衝會達到波包寬度為1.4 飛秒的轉換極限脈衝。 這些研究最終的目的是希望能夠透過光和物質的作用來控制物質裡的電子運動，為了要達到這個目的，我們需要發展能夠產生超寬頻頻譜和合成波型的技術。 第四章，主要是介紹寬廣可調的可見光，由近紅外光參振盪器產生近紅外光，近紅外光的非相位匹配二倍頻產生可見光波段，大約有百分之五的轉換效率，遠超過非相位匹配所產生的轉換效率。探討隨機準相位匹配的發現與模擬分析來解釋實驗的結果。最後是結論與未來展望，針對實驗上可以改進的地方與未來前景做探討。
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所提出的架構證實為長程60G赫茲光纖擷取系統可行的方法。在此架構中，我們使用倍頻的修正型Tandem單邊帶調變技術示範一個60G赫茲頻段的系統。符號率每秒1.25G的單載子4-相位偏移調變(QPSK)訊號，符號率每秒781.25M的單載子8-正交振幅調變(8QAM)訊號，總共88個次載子且每個次載子編碼載入78.125M赫茲之QPSK的正交分頻多工(OFDM)訊號被用來當作下行的訊號。由於修正型Tandem單邊帶調變技術的關係，沒有色散所造成之訊號時強時弱的情形，高頻譜響應的向量訊號可被使用且波長的重複使用也可達到。經50公里單模光纖傳輸，所試驗的訊號在接收端的能量沒有明顯的損耗。使用反射半導體光放大器傳送1.25-Gb/s的開關鍵控(OOK)上傳信號也被實驗示範出來。經50公里單模光纖傳輸，上傳的OOK訊號在接收端之能量也沒有明顯的損耗。
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本論文利用緊束縛理論來研究脈衝在單一且非線性光子晶體波導或共振耦合波導以及電磁波在對稱或非對稱線性光子晶體耦合波導的傳播情形。從考慮缺陷間耦合的緊束縛理論，電場在光子晶體和共振耦合波導的振幅可以寫成一個解析演化方程式，此方程式稱為延伸離散非線性薛丁格方程式。在光子晶體波導或共振耦合波導中，藉由解這個方程式我們可以得到光調制不穩定區域及在不同的平面波向量(p)和不同擾動波向量(q)的增益係數G(p,q)的解析解形式。在共振耦合波導中，光調變不穩定的區域只能出現在pa大於钉/2或者小於钉/2中。這裡a指的是缺陷間的距離。而光調變不穩定區域的位置會由缺陷間界電柱數目以及克爾係數的正負號所決定。然而，在光子晶體波導中，光調變不穩定區域中的pa可以超過钉/2。當平面波的相位pa超過钉/2，在固定pa的情況下，光調變不穩定區域的增益曲線G(q)會有兩個最大值，這和非線性光纖中的情況有很大的不同。 另外一方面，我們也成功地利用延伸離散非線性薛丁格方程式來描述光固子在含有克爾介質的非線性光子晶體波導及共振耦合波導中的傳播及其傳播的條件。從這個條件，我們得到了光固子在不同數目的間隔界電柱及不同自相位調變強度下的穩定傳播區域，這和光調變不穩定區域是吻合的。光子晶體波導中，在低頻或者低波向量的脈衝傳播時，需要加入正的克爾係數的物質到波導中，反之亦然。由於光子晶體波導和共振耦合波導的耦合係數大小不同，導致共振耦合波導的群速度、色散和支持光固子傳播的自聚焦強度比光子晶體波導小。對於一個長脈衝在光固子傳播條件下，他的脈衝擴散由於大於二階的的最低階色散係數所造成。當脈衝變窄，其他高階項需要被考慮，這導致光固子最小擴散的自聚焦強度會比導出來的傳播條件小，尤其在三階色散趨近於0的時候更加明顯。 當另一個相同的波導刻入光子晶體中且與原波導相隔一排或數排介電柱，我們可以得到一個光子晶體耦合器。耦合器的色散曲線會有一個交點，稱為不耦合點。在這個點上，能量不能耦合到另一個波導。所以我們可以利用調變不耦合點來改變耦合器的性質。從考慮到兩個波導間的耦合到次鄰近缺陷的緊束縛理論，我們發現如果平行於耦合器的方向去移動缺陷柱，不耦合點頻率在正方晶格會有藍移的現象，但在三角晶格則有紅移的現象。如果讓缺陷互相靠近，由於耦合強度變強，導致耦合器的傳播頻率及兩條色散曲線間的頻率差都有增加的趨勢。當我們利用平面波展開法及時域有限差分法來作模擬時，發現其結果跟我們的理論非常吻合。 如果光子晶體中的兩條波導不一樣，耦合器變的不對稱。利用考慮到兩個波導間的耦合到次鄰近缺陷的緊束縛理論，我們解釋了幾個非對稱耦合波導的物理性質:(1)在某個特定點時，耦合波導的色散曲線會退化到單一波導的色散曲線且電場只會侷限在單一個波導中，此點我們稱為不耦合點；(2)即使色散曲線沒交叉，本徵模態的宇稱仍會在不耦合點交換；(3)即使本徵模態交換，高頻色散曲線的電場會主要分佈在擁有較高本徵模態的單一波導，反之亦然。當一個單頻光射入耦合器中，能量的轉換也可以用解析解的形式表達。由於色散曲線沒交叉，所以在非對稱的耦合波導的耦合長度並非無限大，但是在不耦合點兩個波導間有最低的能量轉換。
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利用原子層磊晶術成長在藍寶石基板的氧化鋅薄膜被我們詳細的研究與了解. 薄膜的表面是十分得平坦的. 在薄膜的成長中,沿著C軸堆疊在藍寶石基板的氧化鋅占了絕大多數. 而氧化鋅和藍寶石基板之間比較沒有像利用脈衝雷射蒸鍍製程和有機金屬化學氣相沉積法成長的氧化鋅那樣, 介面之間有旋轉了三十度. 而是直接向上成長 .占少部分大約百分之三的有旋轉的部分, 經過退火處理之後, 這種結構幾乎可以完全消除. 氧化鋅的晶體結構可以在退火處理大大的改善. 經過退火之後, 壘層缺陷是氧化鋅薄膜最主要的結構缺陷.
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群速度色散係數在高速通訊、非線性光學及超快光學等很多科學與應用研究上扮演著重要的角色，本論文提出一種新型色散量測的方法及架構，只需使用射頻頻譜分析儀來觀測週期性光頻率掃描的時域脈衝頻譜即可求得群速度色散值。論文中所使用的光源為非同步鎖模光固子光纖雷射，此乃實驗室先前發展的架構，並有著令人感興趣的特性，例如：脈衝的時間位置與中心頻率具慢速週期性變化等。此外，我們也提出以頻率調制器與振幅調制器所架設的光源來產生中心頻率週期性變化的脈衝光源的新想法。將此類具慢速週期變化特性的光源之輸出光脈衝序列通過待測光纖，藉由直接分析通過待測光纖前後的光脈衝序列之射頻頻譜圖來獲得脈衝時間位置慢速週期性變化的大小，即能以理論計算出待量測之群速度色散係數大小。
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在本論文中，我們藉由聲光調變器和線性光纖共振腔在摻鐿的光纖雷射系統中達到穩定的Q開關鎖模雷射運作。在Q開關的封包內，我們觀察到鎖模脈衝的重複頻率為40 MHz，與聲光調變器內部聲波的頻率相同。在實驗上，我們也發現Q波包的寬度與對稱性取決於聲光調變器外加的調變頻率。當外加頻率變低的時候，我們觀察到Q開關的波包有衛星脈衝的產生，而且它的數目也與外加的調變頻率有關係。藉由改變在聲光晶體上的光束大小，我們證明了鎖模脈衝的啟動機制是由聲光調變器振幅調變的作用所產生之諧波鎖模。