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雙光柵光調制器之設計研究

本篇論文主要工作為可調式雙光柵元件之設計、製作及量測。在 設計方面吾人以傅式光學和商業軟體G-solver 來分析設計分析可調 式雙光柵元件。吾人設計了兩種可調式雙光柵元件，一為以相同週期 相同相位厚度的矽光柵所組成Type A 雙光柵，可做為可調式光衰減 器，可調制零階範圍由48.52%調制到0.08%；二為以一週期和相位 厚度皆另一光柵之半所組成Type B 雙光柵，為設計的1 x 2 光開關可 將光強由正一階切換到負一階或反之，及效率由31.43%降低到 3.66%。並提出了一種利用雙光柵改變共振模態來做為1310nm 和 1550nm 的波長切換器的構想。 在製作方面, 吾人以半導體製程和微機電製程技術製作平面式 矽光柵和雙光柵光調制器，分別進行量測雙光柵光調制器之光學效果 和梳狀致動器致動特性。在量測上，吾人將兩組平面式矽光柵組合雙 光柵元件，可得Type A 雙光柵零階繞射光調制範圍為20.4%衰減到 1.4%；Type B 雙光柵正負一階繞射切換強度為19.1%衰減到1.4%， 量測結果顯示Type A、Type B 之光調制效果之趨勢與模擬結果相同。 此外，在梳狀致動器驅動效果的量測方面，吾人以電壓驅動梳狀致動 器測試，當外加直流偏壓130V 可驅動雙光柵光調制器約16μm，驗 證了雙光柵光調制器結構設計的可行性。

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偏平面光子晶體能帶之研究

在本研究中，主要是進行偏平面光子晶體的能帶研究，利用兩種數值模擬方法:純量平面波展開法與向量平面波展開法來進行分析。我們以理論數值模擬各種晶格的二維與三維光子晶體，並改變其結構參數(填充率、介電質介電常數、介質柱形) 以觀察H偏振、E偏振和偏平面的能帶變化情形，試圖找出全方位完全能隙，並比較兩種數值模擬方法在研究偏平面二維光子晶體上的差異。

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波導模態共振濾波器頻譜平坦化之研究

光學濾波器在光學被動元件上佔有相當大的重要性，不同的濾波器提供不同的光學特性，例如穿透(transmission) 與反射(Reflection)濾波器、帶通(bandpass)與帶止(bandstop)濾波器、以及窄頻(narrow bandwidth)與寬頻(wide bandwidth)濾波器等等。光學濾波器普遍的結構都是以薄膜堆疊(stacked thin-film)的方式為主，利用多層薄膜堆疊的結構所產生的干涉作用來達到濾波的效果；但是由於多層膜堆疊的結構，使得在製作技術上較為複雜，對於結構中各層材料舉凡是折射率、厚度、均勻性、甚至是膜層間的應力都需要仔細加以考慮。基於上述理由，本論文提出利用簡單結構製作的波導膜態共振濾波器(guided-mode resonance filter)，以取代結構複雜之薄膜濾波器，並研究過濾頻譜平坦化之技術。 在頻譜平坦化的技術方面，本論文利用兩種不同的結構，提出設計的方法，同時加以製作並且量測濾波器之頻譜特性。首先，我們利用串接式(cascaded)結構，實驗上於波長1550 nm 的附近得到頻寬為1~3 nm的平坦化過濾頻譜；此外，我們也對兩串接元件之距離作容忍度的分析研究。接著，我們以非對稱光柵的結構，製作出中心波長約1.2 ?m 且頻寬達200 nm的平坦化過濾頻譜，並對該元件作角度容忍度(angular tolerance)的量測與分析，以驗證元件的角度穩定性。元件在設計模擬方面與實驗所得到的數據比較，頻譜特性都相當符合，這也說明了本論文所採用的結構設計能夠達到相當程度的效果，而其結構相對於薄膜濾波器來的簡單許多，在製作及應用上具有極大的價值與潛力。

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錐狀平面波導光柵結構與微米小球共振腔之光耦合效率研究

本論文提出可晶片化（on-chip）之球型共振腔耦合器，可應用在光的訊號轉換及光相位延遲等研究。我們利用標準的光微影技術，在矽基板上製作此微光學元件，使其達到高穩定性與可批次製造等優點。 在設計上，波導與微米球型共振腔的耦合效率可達26％，且此元件具有波長選擇性，此元件設計波長為1550nm，耦合效率隨輸入波長偏移設計波長，當波長偏移量達100nm 時，耦合效率降至最大值之60﹪。最後，實驗上也印證了與模擬設計相同的結果。

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溶膠凝膠法合成以鉭元素為基礎的全固態電致變色元件

電致變色元件（Electrochromic Device，ECD）是利用對電致變色材料施加偏壓，改變材料本身的氧化還原狀態，使其達到可重複循環的染色/褪色反應。其應用範圍廣泛，目前主要商品為節約能源的變色型節能窗（smart window）。 本實驗以五氧化二鉭（Ta2O5）作為電致變色層，用溶膠凝膠(sol-gel)法製作透明、高穿透率的五氧化二鉭液體，利用旋轉塗佈法（spin-coating）製成五氧化二鉭薄膜，可大幅降低電致變色元件的生產成本，初步完成的全固態電致變色元件可重複循環達60次以上，最大對比度可達20％，而染色/褪色的響應，可在數秒內達成。

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非球面係數對三片型鏡組映像品質影響之分析

摘要 由於一般球面只有曲率半徑這一項變數，而非球面擁有其他高階項可變動的係數，所以可以提供更多提升光學系統品質的自由度。近來非球面製作技術的進步，降低了非球面的製作成本，使得非球面可以更廣泛的應用在光學設計上，因此有關非球面特性的研究越來越重要。 當軟體優化結果不如預期時，對於非球面有直接的認識或許可以提供方向自行微調，以達到所需的規格。因此本研究著重在於非球面係數的闡明，與三階像差之間的關聯，並且發掘非球面係數與三片型鏡組映像品質之間的關係。 本研究中提供幾種不同的做法調整非球面係數，達到縮小成像點尺寸的趨勢。並且這些微調的方法是有效的：當軸上物點時，光點的大小可以改善到比原先沒有做非球面改善時，降低兩個尺度(RMS：3.5590.05um)。而離軸時，可以降低一個尺度(RMS：68.325 6.575um)。而且與軟體優化的結果比較，並不遜色。因此，於本文實驗中所得到非球面係數與三階像差之間的關係以及調整之效果，可以作為設計光學系統時調整非球面係數的參考。

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三片型鏡組之分析設計

三片型鏡組其特性為可使用最少片數達到校正所有像差，是為基礎鏡頭設計的一種，後續更複雜鏡組可由三片鏡為出發點，增加鏡片片數以達到更好的成像品質。對初學者而言，必須深入研究探討其設計原理以奠定日後設計的基礎。 本研究中主要工作分兩部分：第一部分為對Kingslake在Len Design Fundamentals中所提及的初階安排方法詳加印証，並藉著重複其設計來熟悉整個設計流程；第二部分為在找出良好初階安排之後，後續利用光學設計軟體Zemax對鏡片進行加厚與優化並協助調整MTF曲線，以設計出符合各項成像品質需求的鏡組。 最後，蒐集各年代專利並大約統整估計出一規格f=25mm、F/#=4～5、field=±20°其MTF=0.2處之空間頻率為35(lp/mm)。再依據前述規格作為我們設計目標並換取高折射率玻璃重新進行設計，以相互比較。在僅考慮三個視角，比較兩者結果為在field大了10°的情況下，空間頻率提升為60(lp/mm)。

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平面波展開法在光子晶體之應用

所謂的光子晶體就是在空間中，將介電質材料週期性地排列的結構。受到週期結構的影響，電磁波的行為會呈現布洛赫波(Bloch wave)的傳播形態。從光子晶體的色散曲線中，我們可以探討能隙結構(Band structure)、缺陷態(Defect modes)、態密度(Density of states)及表面模態(Surface modes)的物理特性。常用的分析方法包括平面波展開法(Plane wave expansion method)、多重散射法(Multiple scattering method)、時域有限差分法(Finite difference time domain method)、傳遞矩陣法(Transfer matrix method)等；而本論文主要是以平面波展開法來分析二維光子晶體的光學特性。 本論文主要分為四章，第一章是介紹光子晶體的背景知識與由來，以及它的相關應用。第二章除了包括平面波展開法的理論公式推演以及一些物理特性回顧之外，再將平面波法延伸，結合超晶格法(Super cell method)、史托克定理近似(Stokes’s theorem approach)及微擾法(Perturbation method)，可針對特殊形狀介電質材料做能隙分析，及能帶結構預測。第三章針對新穎方法的收斂性、精確性做嚴謹的測試、檢驗以及討論。第四章總合本篇論文的各項重要特點下一個結論。

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不同製程下以Si與SiO2為起始材料所製鍍出的SiO2薄膜特性研究

本論文將探討與比較在不同製程與不同起始材料下所製鍍出的二氧化矽薄膜的特性。利用目前最常用的三種物理氣相沉積方法：電子槍蒸鍍、離子束濺鍍、磁控濺鍍三種製程方法，以Si與SiO2為起始材料分別製鍍SiO2薄膜，並討論離子助鍍與離子助鍍使用不同工作氣體的影響。製鍍出的薄膜分別以紫外-可見光光譜儀、傅立葉轉換紅外線光譜儀、應力量測干涉儀、原子力顯微鏡、掃描式電子顯微鏡與接觸角量測儀分析各SiO2薄膜的光學、機械、化學性質與微觀結構。 實驗結果顯示，以電子槍蒸鍍加離子助鍍時，可以得到最佳的紫外光光學特性；磁控濺鍍不加離子助鍍次之；磁控濺鍍加離子助鍍與離子束濺鍍所得到的較差。三種製程在可見光的光學性質都不錯，吸收損耗(消光係數)幾乎都可達到3x10-5以下。而離子束濺鍍得到的表面粗糙度最佳、磁控濺鍍次之，電子槍蒸鍍則較差，但輔以離子助鍍後也可以改善到1nm以下的粗糙度。由紅外線光譜的結果可以知道三種製程都可以製鍍出化學匹配比(stoichimetric)良好的SiO2薄膜，除了電子槍製程不加離子助鍍時，以Si為起始材料所製鍍出的SiO2會含有次氧化態的Si2O3；以SiO2為起始材料則會因為吸收水汽而含有Si-OH的結構。在機械特性方面，所有製程得到的SiO2薄膜皆是呈現壓應力的型態，其中以磁控濺鍍製程所得到的應力最小，離子束濺鍍次之，而電子槍蒸鍍所得的應力最大。而根據量測薄膜的接觸角可知，以離子束濺鍍所得到的薄膜其表面能最低，具有較佳之環境穩定性；以磁控濺鍍與電子槍蒸鍍的薄膜則有較大的表面能。 本研究將SiO2薄膜在三種不同製程下的性質做一完整的整理與比較，對於往後在製鍍各種濾光片或在不同狀況下需要製鍍SiO2薄膜時，可以提供一個參考，例如需要紫外光區鍍膜時則選擇電子槍蒸鍍、需要製鍍低損耗的雷射鏡時則選擇離子束濺鍍，需要低應力與塑膠基板的鍍膜則可以選擇磁控濺鍍。

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表面電漿對於半導體發光元件光萃取效率的影響之探討

在本論文中，我們簡述表面電漿的發展，並利用電磁波與金屬表面自由電子交互作用之電磁理論，對表面電漿共振現象作闡述。而在實驗方面，我們在發光元件表面設計與製作次波長金屬週期結構，由實驗量測紀錄發光元件在不同結構下的發光光譜，經過光譜數據之整理與比較，我們可確信表面電漿共振現象的存在，但是在發光元件的光萃取效率方面並非只有提升，效率下降的情形也同樣存在，由此可知，結構參數的設計對於表面電漿在發光元件中扮演的角色有著決定性的影響，若能掌握相關設計，將能有效提升發光元件之光萃取效率。