中央大學光電科學研究所學位論文
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體積布拉格光柵為近代雷射系統中極為重要的元件，其對於雷射的波長選擇及光譜窄化有很大的改善，因此對體積布拉格光柵的研究就顯得十分重要，然而在雷射系統裡，共振腔長是一極為重要的要素，而當使用體積布拉格光柵作為雷射系統之輸出耦合鏡時，該如何計算此雷射系統的有效共振腔長以及其輸出之縱向模態即是此論文探討的重點。 本論文使用將體積布拉格光柵等效為一有效反射面的概念，配合週期性結構的耦合波理論，推導出體積布拉格光柵有效反射面與光柵表面的距離的表示式，並求得當平面波入射時有效反射面距離隨著入射角度及入射波長改變的變化情形，以及當高斯光束入射時有效反射面距離隨著入射波長改變的變化情形，並將此有效反射面距離納入雷射共振腔之有效共振腔長，計算出雷射輸出之縱向模態行為。
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本論文概念為發展應用於光連接之導波矽光學平台。其研究重心在如何透過帶有45度微反射面之光波導，將封裝於矽光學平台上之主動元件進行光學的非共平面耦合。而導波矽光學平台可以分為兩種模式：(i) 基於SOI基板之矽梯形波導，以及(ii) 基於矽基板之聚合物波導。在矽梯形波導研究中，使用1310 nm光源在所提出的SOI矽光學平台中，首次驗證三維光路連接SOI基板上之非共平面。而在聚合物波導的研究中，則是首次驗證 850 nm 光源可以被應用於矽基板之光連接技術上。 聚合物波導整合45° 微反射鏡之矽光學平台已被驗證，且可利用於傳輸波長為850 nm之光源。提出的架構之耦合效率為 -2.5dB，而聚合物波導的傳輸損耗為0.35 dB/公分。在週期為 250 μm的多通道傳輸應用，其通道間串音干擾可以達到-40 dB的水準。另外，聚合物波導可同時連接兩個矽基45度微反射面，此提出的架構可以發展成為垂直性分光元件。其結果驗證，可在兩個不同的輸出端測量到光強度分別為-6.8dB 和 -5.6 dB。其分光率大約為 3:2，¬而此垂直性分光元件總插入損耗約3.92 dB。 另一方面，矽波導型結構採用SOI作為基板。其SOI波導結合矽基45度反射面被驗證應用在三維非共平面光連接上。此提出之SOI矽波導光學平台可以應用於波長大於 1100 nm 的光源，而本研究採用1550 nm光源作為驗證光源。提出的架構之耦合效率為 -4.51dB，而SOI波導的傳輸損耗為0.404 dB/公分。此架構在1-dB位移誤差有超過 ±20 μm的容許值可以應用，另外通道間的串音干擾可低至-53 dB。相同的，SOI波導架構亦可發展為垂直性分光元件。其分光元件總插入損耗約在3.5 to 3.9 dB之間。而分光比例可以藉由調整SOI波導寬度，本研究實際驗證分光比例控制在大約為4:1, 2:1, 和1:1。 最後，矽波導型的SOI矽光學平台實際應用並製做成光連接的發射模組。面射型雷射採用倒晶封裝技術直接封裝在矽光學平台上，並實際的傳輸5 Gbps之高速訊號。 量測結果可以得到一個清楚的 5Gbps 眼圖。由此可證實此三維的矽光學平台可以有效的耦合面射型雷射並傳輸高速訊號。所得到之結果可應用並發展晶片內部光學連接。
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本論文是以發展一套光學檢測系統為主，利用Double Zernike Polynomial 此函數包含視場與光瞳的像差變化描述，來量化光學元件偏心誤差，本系統可以增加光學檢測的效率，若有此套系統，將會對光學檢測有一大幫助。 模擬係數在系統有偏心誤差的情形下之變化的情況，針對於光學系統中每一個光學元件所擁有的自由度進行誤差模擬，以及兩個的自由度交錯模擬，分析後歸類出係數所對應透鏡存在誤差時的變化狀況，根據此狀況可以反推至系統中元件的偏心情況。 接著設計一套實驗系統去驗證模擬，此系統可以提供高解析度的成像以及多視場的像差資訊，並且使用Double Zernike polynomial來擬合所擷取到的圖形，除此之外，擷取圖形的方式為一次性的擷取多場的像差，這可以大大減少光學檢測的時間。 未來更有可能將所有誤差單一表格化儲存在光學系統內建記憶體中，依照各個不同的設計會對應至不同的修正係數，對於光學影像的品質可以更為提升。
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在本論文中，建立影像式外差干涉儀，對二維相位分佈進行量測，透過擴束器將雙頻雷射光束擴展成直徑1.5公分之平行光後入射待測樣品，再透過電荷耦合元件(CCD)連續取得光強度訊號。雙頻雷射光源經由單頻雷射光與電光調制器組合產生。在CCD取得第一張影像時，取得的時間與電光調制器驅動訊號的時間沒有關聯性，此隨機的時間誤差會因此產生未知相位項影響到真實相位的量測。此問題可透過對電光調制器提供兩個不同頻率的鋸齒波做為電光調制器的驅動電壓訊號。在數據分析過程中，透過矩陣法和希爾伯特轉換計算待測樣品相位分佈，游測量結果得知希爾伯特轉換法可得到較低的誤差以及較佳的均勻度。
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本論文主要目的在開發窄頻(<5nm)且於可見光範圍內(400~800nm)大範圍可調之光濾波器。Fabry-Perot濾波器主要優點在於當膜層反射率夠高時，能獲得較佳的半高寬(FWHM)；串接液晶波板組成的Lyot濾波器主要優點在於第一級穿透波長具有大的FSR。本文結合兩種濾波器之優點，以Fabry-Perot濾波器串接Lyot濾波器來達到大範圍可調窄頻光濾波器之目的。 藉由薄膜光學理論與瓊斯矩陣(Jones matrix)運算分別模擬計算Fabry-Perot濾波器與Lyot濾波器的FWHM與FSR。Fabry-Perot濾波器要求FSR要大但需保持在可調範圍內，模擬結果為可行空間層厚度為2μm。Lyot濾波器作用為圈選出Fabry-Perot濾波器中的主穿透波長，須確保半高寬夠小，可行參數為4組液晶波板所組成Lyot濾波器，其液晶層厚度分別為5、10、20、40μm。將兩種濾波器模擬結果結合，可得到符合設計目的之濾波器。 我們實際製作了鍍製鋁膜的Fabry-Perot濾波器，並驗證了光程和反射率對於濾波器的影響。另實際製作了Lyot濾波器，其實際量測結果與模擬結果相符合。
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在本論文，我們著重於拉伸式以及無拉伸式長週期光纖光柵之頻譜響應以及模態色散特性之探討研究。我們使用Mathematica 7.0來解三層結構下(纖核、纖殼以及周圍介質)長週期光纖光柵之不同模態等效折射率，並且使用LabVIEW 2010來計算色散值。我們假設對稱性的耦合模態下，不同的拉伸比例、不同折射率的周圍介質，模擬各個不同模態的等效折射率。模擬結果顯示，具有些微拉伸結構的長週期光纖光柵，由於模場較集中在纖核，和沒有拉伸結構的相比，具有以下特性：1.在空氣中，些微拉伸的長週期光纖光柵，在同樣的光柵週期以及纖殼模下，具有較長的共振波長。2.當周遭介質折射率改變時，具些微拉伸結構的長週期光纖光柵共振波長飄移比未拉伸的小；這顯示具些微拉伸結構的長週期光纖光柵在環境擾動下較穩定。3.在空氣中，具些微拉伸結構的長週期光纖光柵，其纖核模與纖殼模之色散值差異較大。 因此，對於非用為感測應用的長週期光纖光柵而言，具些微拉伸結構之長週期光纖光柵相較於未拉伸之長週期光纖光柵在環境擾動影響下具有較穩定特性，且具些微拉伸結構之長週期光纖光柵的色散特性使其可用為穩定的色散調製元件。
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本論文以光子晶體理論為基礎，設計藍光波段全方位反射鏡，利用有限時域差分法模擬三維光子晶體。在製程上，使用陽極氧化鋁配合自我複製成膜技術製作奈米結構膜，再以電子槍蒸鍍輔以離子源助鍍系統鍍製高反射鏡多層膜堆。一般而言，三維光子晶體的製作通長使用電子束微影等方法，其製程繁瑣且昂貴，而本論文使用陽極氧化鋁的方式製作出二維結構的孔洞陣列基板，使用陽極氧化鋁製程的好處在於大幅節省成本及製作難度，並且可藉由控制電壓、酸液種類、酸液濃度、氧化時間、鹼液種類等等參數，改變基板上孔洞的週期、孔徑大小。相較於昂貴費時的電子束微影，以此方式製作的光子晶體還具備可大面積製作的優勢。此外，配合自我複製成膜技術，利用多層膜高反射鏡的製程，在二維的陽極氧化鋁基板上製作總共25層得對稱膜堆高反射鏡。 最後以多角度的光譜儀量測可見光波段之頻譜，討論光源以60度斜向入射時中心波長的偏移量，與傳統平面多層膜做比較，其中心波長的偏移量有33.3%的抑制效果。因此，本論文中的奈米週期結構之多層膜，可以利用光子能隙的效果達到全方位反射的作用。
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在此論文提出一個具有垂直分岔光路的雙輸出矽基光學連接模組，此模組將高分子聚合物光波導與數個矽基45°微反射面整合形成一組垂直分光器，此分光器具有將光訊號一分為二的功能，為此光學連接模組提供了兩組可進行三維光學傳輸的光學通道。此光學連接模組具有用來分光的三組45°微反射面，高頻傳輸線、雷射封裝所使用的銀銦焊料，以及導光的高分子聚合物光波導。 在光學特性上，此光學連接模組的總耗損為-6.6 dB，分光比例為0.124 : 0.095。此一分為二的垂直分光器使得矽基光學平台得以具有雙輸出通道。模組高頻電特性(high-frequency response)量測上，證明兩個通道均能通過10-G Ethernet的眼罩測試，由此可驗證此光學連接模組具備雙通道10-Gbps的資料傳輸能力。
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本研究提出一個具45°反射面高分子聚合物波導之10-Gbps 晶片內部光學連接收發模組，此技術可應用於晶片上光學訊號傳遞。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850 nm的面射型雷射進入高分子聚合物波導經45°反射面轉折進入光檢測器。此模組包含45°反射面、高分子聚合物波導、高頻傳輸線、銀銦焊料、850 nm面射型雷射與光檢測器。 本研究完成具45°反射面之高分子聚合物波導收發模組之光學模擬、製程以及量測結果；而量測包含了波導光路與模組之光學特性、高頻傳輸線特性、主動元件特性和收發模組之眼圖。在光學方面，高分子聚合物波導的傳遞損耗為 -0.353 dB/cm、45˚反射面之轉折損耗則是 -0.4325 dB，而整個模組的光學耦合效率為 -2.798 dB，由此可證明此模組在晶片上的應用是確實可行的。 在模組的高頻特性方面，在操作電流為8 mA下訊號以10-Gbps的傳輸速率時，其光檢測器所接收到的光電流為0.632 mA，模組在沒有加IC的情況下，眼圖眼高為16 mV、抖動為24.77 ps、訊雜比可達7.29，此外，本模組可同時驅動4通道 × 10Gbps，其眼圖量測皆在傳輸10-Gbps的標準之上，從實驗數據驗證了我們提出的晶片內部光連接模組在可在低功耗下處理10-Gbps的訊號傳輸。
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電腦全像片最早起源於1966年由B. R. Brown及A. W. Lohmann提出的軌跡相位法(Detour Phase)，電腦全像片乃利用電腦計算模擬全像片上的資訊分佈，最後再利用繞射光學元件(DOE)或半導體製程來儲存此資訊分佈。 在本論文中，我們討論相位式電腦全像片的製作原理，利用Fresnel繞射理論為基礎，得到全像片平面與重建平面的關係，並進而探討以單一全像片重建出多個重建平面的方法。之後利用Gerchberg-Saxton演算法則，計算出全像片平面上的相位資訊分佈，並編寫出相位式電腦全像片。接下來我們將量測液晶空間光學調製器(LC-SLM)的相位特性，得到「相位-灰階」的曲線，並以此結果去編碼相位式電腦全像片，再將其輸入至液晶空間光學調製器，進行光學重建實驗。 最後我們將探討雷射光鉗的原理，並將搭配LC-SLM的電腦全像術，應用於雷射光鉗技術上，製作出即時且動態的3-D電腦全像光鉗，增加光鉗應用性。接下來再利用3-D電腦全像光鉗，對球型粒子做3-D全方向的移動控制。最後我們以一個光鉗組，去鉗住長軸長約5~8μm的圓柱粒子，使其作出兩種不同方向的旋轉。