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適用於色序式微型投影機之微透鏡陣列積分器光學系統研製

本論文提出一組微型投影機的架構。投影機採用L型光路來結合成像與非成像系統。光源選擇發光二極體(Light Emitting Diodes, LEDs)取代傳統燈泡，因為LED具有低耗電量、反應快、體積小、耐震動以及適合量產等優點。投影機之系統光閥為反射式矽基液晶顯示器(Liquid Crystal on Silicon, LCOS)，LCOS屬於色序式(color-sequential)的樣式。 非成像系統只用一組準直鏡，並採用單片微透鏡陣列(Micro-lens Array, MLA)來達成面板上光強度均勻化的目的。單片微透鏡陣列為雙面同曲率，微透鏡大小為320 μm × 180 μm，此種設計可以讓面板上之照度均勻度達到86%，並且有效地縮小非成像系統的體積。設計完成之非成像尺寸為31 mm × 11 mm × 11 mm。投影鏡頭共使用5片鏡片(2片球面玻璃和3片非球面塑膠)，設計出總長15 mm的定焦鏡頭，此鏡頭在距離50 cm處投射約A4大小的影像，而調製轉換函數(Modulation Transfer Function, MTF)在空間頻率94 lps/mm內所有視場皆大於0.5，光學畸變(Optical distortion)小於1.5%，結合非成像系統與成像系統尺寸為31 mm × 24 mm × 11 mm (不考慮組裝外殼)。非成像系統由外部廠商製作， LCOS面上的光能量分佈出現傾斜，且角度大於10°。LCOS有效面積上的光學效率為22%。

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變換光學應用於非磁性隱形斗篷之設計

本篇論文中，我們研究隱形斗篷介質參數的選擇與簡化，以設計出實驗上較可行的隱形斗篷。由變換光學出發，透過座標變換，我們可以得到介質參數與空間座標函數的對應關係，再由二維系統中圓柱座標下的波動方程式得知，假若我們選用TM波(磁場在Z方向)，即可在幾何光學極限下簡化成磁導率為1，避免了磁性材料的需要。此時，更可以由簡化過的非磁性介質參數看出我們所選用的座標變換函數影響甚大。所以，適當設計空間座標變換函數，就可以得到適當的介質參數，再注意一些阻抗匹配、空間奇異點的問題，我們就可以大幅降低散射，改善非磁性隱形斗篷的效果。另外我們也討論了任意形狀的隱形斗篷結構。藉由有限元素法(Finite Element Method, 簡稱FEM)進行數值模擬，可以驗證我們的設計與理論。

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變換光學與晶體光學之關係探討

本篇論文主要利用變換光學的理論來設計有凹透鏡、凸透鏡作用的平面圓柱波轉換器，以及達到完全透明的透明護罩。我們找到在TM波 (磁場在z方向)模態下之非磁性晶體光學參數和變換光學轉換函數的對應，並利用單軸晶體來實現非磁性隱形斗篷。最後, 我們以一個光偏移器的設計來闡述以變換光學的角度去看一個元件設計問題，而不以傳統的晶體光學的角度看此同一問題所得到的好處。

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建立於矽基光學平台之高分子聚合物波導光路

隨著科技日漸發達，傳遞的資訊量以倍數成長，以電為媒介的傳遞方式因受限到傳統銅材料特性的限制，提升傳遞頻寬及速率方面以達到了極限，利用光做為高速傳遞媒介之光連接技術取代是一種解決路徑。 本研究提出一個具45°反射面之高分子聚合物波導光路，此技術可應用於晶片內或晶片與晶片間光學訊號傳遞。在架構上藉由一個具光學品質的矽基45°反射面，利用波長為1550 nm的紅外光源進入高分子聚合物波導經45°反射面轉折進入光接收偵測器(Power Detector)具45°反射面高分子聚合物波導光路包含45°反射面與長直矩形波導，其長直矩形波導結構大小為40 μm × 20 μm。 本研究完成長直矩形波導以及具45°反射面之高分子聚合物波導光路之光學模擬、製程與光學特性量測。經由設計的具45°反射面之高分子聚合物波導光路，在長直矩形波導部分，插入損耗為-2.49 dB，傳遞損耗為-2.085 dB/cm，出射端多模光纖空間位移容忍度在耦合能量損失1 dB時在垂直方向與水平方向約為44 μm；具45°反射面轉折波導光路部份，插入損耗為-5.62 dB，入射端單模光纖光源位移容忍度在耦合能量損失1 dB時在垂直方向約為24 μm，水平方向則為8 μm。

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矽基光學平台技術為核心之雙向4通道 x 10-Gbps光學連接收發模組

在本論文中，將提出以本實驗室開發完成的矽基光學平台(Silicon Optical Bench, SiOB ) 為核心之收發模組的開發評估、實作及高頻量測；此平台具有微型化被動對準、光程短的優勢，以及高深度45°微反射面提供光路非共平面轉折，在光學連接模組之應用上具有相當潛力。 本論文提出之模組為一雙向4通道×10-Gbps之收發模組，其中包含：雙向光學組裝件(Bi-Directional Optical Sub-Assembly, BOSA) 、接收端與發射端之驅動積體電路(Driver IC)、12芯帶狀光纖封裝(Fiber Mounting) 和高頻電路板之設計。光學組裝件與印刷電路板之間以 COB(Chip-on-Board)方式整合; 在模組高頻量測中，發射端在常溫下可通過裕度(Margin) 25%的10G-Ethernet眼罩(Eye Mask)，接收端之誤碼率可達到10-12等級，證實此光學收發模組具有雙向平行化4通道×10-Gbps的資料傳輸能力，可運用於板對板(Board to Board)間的資料傳輸。

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具三維光路之光連接發射端模組

在本論文中，提出並驗證「具三維光路之光連接發射端模組」之研究。此模組架構是採用雷射與波導異側之架構，由面射型雷射出光穿透厚度為 500 μm的 SOI基板，再經由 45°矽基微反射面進入波導。藉由此方式可分別獨立電子元件與光子元件的製程，又可將電子元件與光電調製器、波導等光子元件整合，以達到光電模組高積體化、高效能的表現。本模組電子元件層包含高頻傳輸線、面射型雷射和金錫焊料；光子元件層則包含 45°微反射面和梯形脊狀波導。利用雙面對準之機制將電子元件層和光子元件層整合至 SOI矽晶圓兩側。 而模組末端乃利用多模光纖作為接收與傳輸。其光纖與模組間光學耦合效率為 -8.09 dB，而效率損耗 1 dB時在水平方向與垂直方向之位移容忍值分別為 30 μm及 19 μm。對於高頻研究方面，本研究採用低阻值 (1 - 10 ohm-cm)之 SOI矽晶圓製作高頻傳輸線並量測其高頻傳輸特性。此模組在 2.5 Gbps的操作速度時，上升與下降時間差異並不大;眼圖訊號在其眼睛邊際 (Eye margin)內是非常乾淨，且眼高及眼寬分別為 34 mV與 350 ps，由此我們可再次驗證此模組對於 2.5 Gbps的訊號傳遞是具一定可行性。

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布拉格式反射鏡中空光波導之研究

在本論文中，我們利用非晶矽及二氧化矽(Si/SiO2)、氮化矽及二氧化矽(Si3N4/SiO2)以週期性排列的方式組成一個高反射之布拉格反射鏡，再利用此高反射鏡以包覆空氣的方式形成中空光波導。在設計過程中，我們將會利用色散曲線與傳遞矩陣分析此反射鏡之特性。在設計完中空光波導之後，我們設計了兩種中空光波導元件，分別為中空轉角光波導及中空濾波光波導。在中空轉角光波導元件中，我們設計了兩種不同類形之轉角器，分別為截角式及弧形式轉角波導，並用有限時域差分法計算及分析此轉角光波導之傳導性，最後再利用半導體製程的方式製作出中空轉角光波導元件並量測及分析其結果，其中空弧型轉角波導最小之轉角損耗為：BLEy=3.5 Db、BLHy=6.4 dB；截角式轉角光波導的最小之轉角損耗為：BLEy=1.0 dB、BLHy=0.8 dB，由此可知截角式之轉角器有較低之轉角損耗，並且有較小元件尺寸之特性。而在中空濾波光波導元件中，我們在非晶矽及二氧化矽所組成之布拉格反射鏡中插入一個矽缺陷，使此高反射鏡之反射光譜中產生一個缺陷態，而此缺陷態所產生之濾波波長可由缺陷層之厚度改變，我們可利用傳遞矩陣計算出此特性。在設計完此元件後，我們利用半導體製程的方式製作出中空濾波光波導元件並量測及分析此元件，此元件可有效的將波導內特定波長的光濾除，且有窄的濾波頻寬之特性。

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高功率多晶LED低眩光投射燈之設計

本論文中，使用Cree高功率複晶LED，並根據中場擬合法建立精準的LED之光學模型。依據精準的光學模型，我們設計一款以LED為光源的低眩光投射燈具，有效的將眩光程度降低。並分析此款燈具對光源的各項容忍度包括位移以及旋轉等參數。最後製作出工程版燈具，由實驗中驗證了模擬準確度。將此低眩光投射燈具與另一款LED比較眩光指數分析，並由計算結果證實，低眩光投射燈能有效降低眩光的程度。

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新型廣視角、高亮度、高對比之扭轉-垂直配向液晶顯示元件

由於扭轉-垂直配向(twisted-vertical aligned, TVA)液晶顯示模式具有扭轉向列(twisted nematic, TN)及垂直配向(vertical alignment, VA)兩種模式的優點，因此這篇論文選定此TVA模式作為開發新型液晶顯示器之基本架構。TVA液晶元件，主要是在VA液晶盒內摻入對掌性化合物(Chiral compound)，該化合物濃度可決定液晶盒厚度d與對掌性液晶分子間螺距 p (Chiral pitch)的比率d/p值，並調整液晶分子扭轉的角度，而且由該d/p比率與光程差(Δnd)值決定TVA液晶盒的最大穿透率，其中∆n為液晶分子雙折射率。 在本篇論文中我們提出三種利用簡單製程所完成的定向結構，它可使液晶分子形變成一連續扭轉之形態，稱為連續區域之扭轉-垂直配向(continuum domain twisted-vertical aligned, CDTVA)液晶元件。第一種定向結構為畫素(pixel)周圍形成一突出物(protrusion)結構，第二、三種定向結構分別為單純上下兩層之銦錫氧化物(Indium-Tin-Oxide, ITO)透明電極(無蝕刻圖案)及上下兩層之ITO透明電極，蝕刻成特定圖案。我們利用單一配向之TVA液晶盒，模擬最佳參數條件d/p與Δnd，發現當符合Mauguin參數(u)近似於√3時，液晶盒最大穿透率與液晶分子排列方向無相關性，此結果與TN液晶模式特性吻合，並在我們提出的CDTVA液晶結構中，利用模擬及實驗獲得驗證。 我們針對不同的定向結構，設計不同畫素尺寸及電極圖案，研究該TVA液晶盒光學特性及液晶分子定向之穩定性。第一、二種定向結構，發現每一次電壓開關過程中，在畫素內的光學紋影，無法獲得穩定的定向結果。第三種定向結構，其液晶分子定向之穩定性可獲得改善。針對第三種定向結構，我們進一步利用半色調灰階(halftone-grayscale)的概念，設計一新型的電極圖案，以改善斜視角方向之灰階反轉的問題。最後，我們與現有廣視角液晶顯示元件作比較，本論文提出的各種TVA液晶顯示元件，其最大穿透率遠高於傳統PVA (patterned vertical alignment)液晶盒，其對比度及斜視角之顯示品質，較其它液晶顯示模式佳，而且不需要複雜製程即可實現。

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以金屬與多層介電質組態為基礎之新型波導布拉格光柵

本論文探討新型結構之表面電漿波導布拉格光柵，將金屬與多層介電質組態取代傳統金屬與單層介電組態之電漿子波導，在高介電材料與金屬之間加入低折射率材料，可降低有效折射率之虛部，進而減少損耗。研究顯示增加低折射率材料區域之寬度可使有效折射率之實部、虛部下降；而增加高折射率材料區域寬度反而使有效折射率之實部上升、虛部下降。利用有限元素法為基礎之數值模擬設計布拉格波長為1310 nm 窄頻、1550 nm窄頻及1550 nm寬頻之波導布拉格光柵。1310 nm窄頻設計之布拉格光柵的禁帶半高全寬(full width at half maximum, FWHM)帶寬為15 nm，1550 nm窄頻及寬頻設計之布拉格光柵的禁帶半高全寬為2.9 nm及174 nm。操作波長在禁帶中，發現能量在布拉格光柵中形成渦流。操作波長在通帶中，布拉格光柵在矽與二氧化矽中能量會互相耦合交換。本論文亦分析製程誤差使布拉格光柵可能產生之傳輸特性變化。當波導結構週期長度或二氧化矽間隙寬度增加時，使布拉格波長紅移。相較於窄頻設計之布拉格光柵，寬頻設計之布拉格光柵，當其二氧化矽間隙寬度變化約±6 nm或當週期長度變化約±16 nm將使禁帶中某些波長之傳輸效率提升至10%；當變化幅度愈大，傳輸頻譜最後將分成兩個禁帶，因此寬頻設計之布拉格光柵所承受之製程容忍度遠小於窄頻設計。