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新型中空多模干涉分光器

一般的波導元件，由於必需滿足全反射的要求，所以中心核的折射率要比包覆層的折射率大。而光在波導中傳遞時，將無法避免掉材料色散的問題，而為了將色散問題減至最低，嘗試利用兩種不同介電質的多層膜做為波導包覆層，使中心核的介質為空氣，進而發展出中空波導。 在此論文中，我們利用半導體製程來完成中空全方向反射鏡波導，此種結構具有低損耗、低材料色散、低極化靈敏度等優點。而更進一步，將其應用在波導分光元件上，用來設計1x8的多模干涉分光器，而較傳統的絕緣層上鍍矽的1x8多模干涉分光器有較好的特性：低損耗、元件尺寸小、極化靈敏度低。 最後，為了改良傳統分光元件，在出口端必須加上彎曲波導以耦合光纖，而造成元件尺寸變大。發展出中空直角波導，除了保有原本中空全方向反射鏡波導的特點，更可適用於取代彎曲波導以縮小元件的面積。

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以模擬退火法推算薄膜之光學常數

由於在光學鍍膜中，量測或了解所製鍍膜層之光學常數為一個重要的問題。 在多層膜方面，橢圓偏振法為常利用於推算光學常數的方法，但因橢圓偏振儀價格昂貴以及操作及分析困難，故本文利用光譜儀所量測到之穿透光譜，及搭配上演算法之模擬退火法，能成功的推算出已知精確折射率以及精確消光係數之多層膜的各層厚度值，及能推算未知折射率(不包含色散)之粗略折射率以及粗略厚度値。 本文採用C++ Builder 5.0程式語言作為程式開發之工具並且完成人性化介面之程式，在輸入所知之光學常數初始値之後，能簡易的得到欲求之光學常數值。

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雙頻雷射共光程外差干涉橢圓儀

利用線偏振光入射到介質表面，會造成反射光偏振態改變的特性所發展出的量測技術為橢圓偏振儀。本文主要發展出一種創新的雙頻率雷射共光程外差干涉橢圓儀，它在不需要轉動光學元件的條件下，利用電光調製器所產生的雙頻雷射光源之外差干涉訊號為時間起始零點，並連續測量經由介面反射後在四個特定時間點的外差干涉訊號強度，經由所推導的理論可計算出相對應的橢圓參數Ψ(PSI)和Δ(DELTA)，而可獲得SiO2/Si標準片薄膜的厚度值。最後由實驗結果可以驗證出本方法的理論推導是正確的。

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藉由奈米電漿子偵測信號強化之表面電漿共振與表面強化拉曼散射生物感測器

於蛋白質體學（proteomics）研究上，建立一多功能光學生物感測平台作為生物分子交互作用分析（biomolecular interaction analysis，BIA）為一重要研究工作。藉由表面電漿共振（surface plasmon resonance，SPR）感測技術來提供生物分子交互作用的動力學（kinetics）資訊，並搭配可提供生物分子的結構資訊之表面強化拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS），可建立一更完善之生物分子辨識平台。利用此兩種感測機制，將可同時觀察生物分子之動態交互作用及其結構變化情形。 SERS技術具有探測單一分子的能力，可與SPR技術一樣利用衰減全反射方式（attenuated total reflection，ATR）來激發表面電漿子（surface plasmons，SPs）來檢測感測器表面上生物分子。然而由於生物分子拉曼訊號相當微弱，須藉由粒子電漿子（particle plasmons，PPs）的操控，來加以放大。論文中，先介紹SPs與PPs之近場電磁強化作用，藉以作為SERS之物理機制之架構，並以A. Otto先生所提的化學強化機制為輔助，以期對電漿子強化拉曼訊號的機制有理論上之依據。在實驗部份，利用射頻混合濺鍍與化學方式奈米銀粒子的備製，來設計操控界面上奈米膜層之金屬粒子大小與分佈情形，並以自製的ATR-SPR光譜儀與微拉曼光譜儀來加以量測分析。最後以copper phthalocyanine（CuPc）及去氧核糖核酸（DNA ）之SPR與SERS光譜之量測訊號加以分析討論，作為與本論文研究動機與目的之驗証。經由這些實驗結果，我們將可建構一藉由電漿子來強化量測訊號之SPR及SERS的生物分子辨識平台，除了提供生物分子交互作用的即時動態反應並且提供生物分子的結構改變之資訊。

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二氧化鈦光學薄膜在熱回火過程的光學和機械特性之研究

本論文探討熱回火處理對二氧化鈦(TiO2)光學薄膜的光學特性，殘留應力的機械性質和微觀柱狀結構等影響。光學特性是經由穿透光譜加以判讀，殘留應力的量測則是透過自己架設的相位偏移式干涉儀。在微觀結構方面， X光繞射儀判斷薄膜內部的結晶狀況，X光光電子能譜儀可以了解熱回火過程的氧化模態變化，掃描式電子顯微鏡可以觀察不同熱回火溫度的柱狀微觀結構變化，原子力顯微鏡可以觀看膜質的表面輪廓和粗糙度，顯微干涉儀可量測較大面積的表面粗糙度。 在TiO2光學薄膜的製鍍過程中，選擇不同的基板溫度；發現基板溫度為150℃的TiO2光學薄膜，在不同溫度的熱回火中，不穩定的氧化鍵會斷裂形成次氧化鍵，隨熱回火溫度增加，會再度氧化為氧化鍵。在200℃的熱回火溫度時有最小的殘留應力，因此次氧化鈦在熱回火過程中扮演消除殘留應力的緩衝功能。在穿透光學頻譜、殘留應力、表面粗糙度變化和微觀結構觀察中，發現TiO2光學薄膜製鍍在基板溫度200℃和250℃中比150℃來的穩定。 在製鍍的方式中，選擇離子輔助電子槍蒸鍍法，射頻離子濺鍍和直流磁控濺鍍法等三種鍍膜方式製鍍TiO2光學薄膜，可以發現濺鍍出來的TiO2光學薄膜較為穩定。對不同的基板溫度製鍍出來的TiO2光學薄膜做再回火穩定度研究，發現再回火過程中，殘留應力變化量變小，不會高低起伏變化很大，表示膜質已經達到穩定的狀態。 綜合上述研究，對製鍍完的TiO2光學薄膜做熱回火處理，確實可以改變膜質的內部結構，也能使膜質趨向穩定。

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次奈米窄帶濾光片的設計與製程和均勻性之關聯的探討

次奈米窄帶濾光片是一種非常精密且困難的薄膜技術，而其一項很重要的應用是光通訊用的高密度波長多工分工器(DWDM)。在實際的製作上，濾光片的均勻性是一項非常重要的課題。 窄帶濾光片的設計概念是基於Fabry-Perot干涉儀的原理，我們推導了全介質窄帶濾光片的理論並分析了設計參數與均勻性之關聯。基本上，多腔式窄帶濾光片的均勻性主要與空間層的設計有關。如果在設計時，每一個單腔都用相同的空間層設計，則濾光片的光譜將不隨著薄膜厚度均勻性而變化，可以得到好的光譜曲線。另外，如果採用較厚且折射率較低的材料或是厚度均勻性較好的材料來設計空間層，則可以得到比較好的中心波長均勻性。 除了採用好的設計可以得到較好的均勻性，薄膜材料在厚度均勻性也扮演很重要的關鍵。在這方面，我們採用離子蝕刻法來調整薄膜材料的厚度分佈。薄膜材料的厚度均勻性和電子槍蒸鍍薄膜厚度的分佈與離子源蝕刻薄膜厚度的分佈有關。藉由調整離子源特性參數，如離子束電壓、離子束電流及加速電壓可以將薄膜厚度的均勻性調整到最佳狀態。 離子蝕刻法可以調整薄膜厚度的均勻性，但問題是DWDM要求的精密度非常高，誤差須小於萬分之ㄧ，因此我們提出STF法來解決這個問題。不同於以往利用單層薄膜來量測厚度的均勻性，我們採用單腔窄帶濾光片以量測其中心波長來分析薄膜厚度的均勻性，其精密度可達10-5。 最後，我們利用以上幾項技術來製作DWDM。在沒有任何改良前，只有監控點光譜是好的，可用面積幾乎是零。採用空間層的設計後，整個基板的光譜都是好的，但考慮中心波長後，可用面積只有10公分基板的4.4%，單一通道可用面積為185 mm2佔2.3%。再加上離子蝕刻法及STF法，則50 mm直徑的均勻性可達+/-0.003%，而20 mm直徑的均勻性可達+/-0.0006%。單一通道可用面積為2300 mm2佔29%。