中央大學光電科學研究所學位論文
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本論文的研究主題是探討Morpho 蝴蝶翅膀的反射特性，此種蝴蝶在任意角度的觀測下，皆呈現藍色金屬光澤，且顏色的產生並不是來自於色素，而是結構的反射所造成。在過去的研究中用很多種理論來解釋此現象，在此我們使用平面波展開法(plane wave expansion method, PWE)來研究Morpho蝴蝶翅膀的反射現象，目的是找出在不同角度下有相同的帶隙分佈，為了達到此目的，我們改變蝴蝶結構的變數，並使用不同的判斷參數來討論每一個帶隙的變化。在TE偏振下的紅外線波長區域找到最接近理想的帶隙形態，當角度範圍為0°~90°，其頻寬比(bandwidth ratio=Δf / fcenter)為0.0267。最後，以最接近理想帶隙的結構變數為基準，並改變結構變數W1和W2，發現當W1愈小時，角度範圍變大的程度增加，且由最佳的結構形狀推論出造成大範圍角度的原因是矩形結構所產生的結果。
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在本論文中，提出在陶瓷基板實現高速穿孔架構之5-Gbps光學連接模組，以系統級封裝(System in Package, SiP)之技術，將光學次封裝平台(Optical Sub-Assembly, OSA)、發射端驅動IC和接收端TIA整合至陶瓷基板上，其中發射端驅動IC和接收端TIA的封裝是以覆晶接合(Flip-Chip Bonding)方式所完成，且以高速穿孔連接光學次封裝平台與印刷電路板之間的三維訊號傳遞。 首先，我們從設計端評估適用於此模組的被動電路，包含高速穿孔、單端訊號(Single-Ended)傳輸線和差動訊號(Differential)傳輸線的散射參數(Scattering Parameter)模擬和量測;傳輸線和高速穿孔架構是以共平面波導(Coplanar Waveguide, CPW)的方式來設計。由高速穿孔和差動傳輸線所構成之被動電路，當操作頻率為5-GHz時，其反射損耗約為-11.84 dB而插入損耗約為-1.7 dB。在整體模組的高頻特性上，實際量測5-Gbps眼圖，證明高速穿孔與光連接垂直整合架構是具有可行性的和未來發展的潛力。
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本論文中以耦合波理論(coupled mode theory)與環型共振腔模型出發，設計一有較長耦合長度的滑輪式環形共振腔(pulley type ring resonator)，並以有限時域差分法(finite-difference time-domain methods, FDTD)模擬電磁波在共振腔中傳播情形，研究單一載波波導、add & drop system與滑輪式環型共振腔的光侷限能力。發現滑輪式環型共振腔具有較高的Q值，也就是有較好的光侷限能力，之後以光能量偵測器以及波印庭向量去分析共振腔之光損耗，找到光損耗最大位置，並將光損耗分為來自外圍波導與環的模態不匹配，能量不完全耦合之耦合損耗以及能量在波導傳播時的彎曲損耗。最後模擬一理想環型共振腔，其能量由外圍波導完全耦合至環內，其Q值可以提高近十倍。
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濺鍍為一種廣泛應用於薄膜成長，且具有許多優點的技術。然而對於矽薄膜的成長而言，濺鍍製程中的離子轟擊效應會使薄膜產生微孔洞，造成電性上的缺陷。因此濺鍍所製作的薄膜易形成矽氫多鍵結構與不易摻雜的特性。所以使用濺鍍法製作太陽能電池的難度較高，未能普及。 本研究使用磁控濺鍍來成長含氫矽薄膜並應用此方法製作矽異質接面太陽能電池。研究發現對基板施加正偏壓下，可有效使矽氫多鍵轉變為矽氫單鍵之穩定型態，且可藉由調變濺鍍功率與氣壓等參數來提升薄膜的摻雜效率。此外再以提升摻雜的P型矽薄膜成長於N型矽晶片表面來製作異質接面太陽能電池。於選擇適當的薄膜製程條件下，可在平面型(未表面粗糙化)的矽晶片獲得10%轉換效率之異質接面太陽能電池。
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本論文之內容主要分為兩大部分。第一部份之內容為使用白光LED在辦公室之照明，首先分別建立LED光源與日光燈光源，並模擬兩者燈源於辦公室照明的情形，之後推算在標準照度下兩者光源之照度分佈及消耗功率，最後發現使用發光效率與日光燈相當的白光LED未必可以比較省電，但使用高效率白光LED確實是可以比日光燈原來的省電。 第二部分內容為高效率白光LED與太陽光混光照明在辦公室之應用，首先模擬太陽集光器收集準直太陽光，並在太陽集光器後方架設一個光學開關與分光系統，當辦公室在下班時間時，此光學開關為關閉，並引導全波段太陽光至太陽能電池轉換成電能，可供給LED發光；當上班時間時，光學開關為開啟，所收集之太陽光先經過一個分光鏡後，可分成可見光與不可見光波段，其中可見光波段由分光鏡反射後經由導光管進入一光箱內與光箱內白光LED光源均勻混合提供辦公室之室內照明；而不可見光波段經由分光鏡穿透，並由太陽能電池吸收，轉換成電能可再供給LED發光。在光箱內壁塗上一層高反射率硫酸鋇可均勻反射光源，並在光箱內四周架設140顆白光LED，與光箱內四個角落各放置一顆感測器，依四個感測器的平均照度可決定開啟白光LED的顆數，並在光箱內下方放置一擴散板，可降低眩光，提供一均勻且節能的室內照明環境。
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本論文主要以自我複製技術(Autocloning technique)來製作微型化波導，並藉由有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain; FDTD) 來設計微型化波導以及利用電子束直寫技術製作所需的基板圖樣。 首先，使用有限時域差分法模擬自我複製型波導的堆疊方式，比較非對稱膜堆與對稱膜堆、SiO2/Ta2O5與SiO2/TiO2結構、各種週期大小、不同頂角下TE偏振各入射角度傳遞效率的優劣，與文獻中自我複製型波導傳遞效率相比，傳遞損耗下降幅度達76.4%。此外也探討結構核心層及包覆層之等效折射率與各項參數間的相關性。 在製程過程中，利用電子槍蒸鍍系統與離子源助鍍製作自我複製式波導，共37層，其厚度約為9.2 μm。在波長1520 nm~1570 nm，其傳遞損耗為0.1838dB/mm，可應用於通訊紅外光區塊，自我複製技術有著可大量生產且多層製作之特性，微型化波導則有著積體化的前瞻性，未來可望商業化應用於積體平面光路。
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本論文探討新型光學讀寫頭之光路設計暨應用於角度與位移之測定。在本論文的主要的內容分為三個部分：第一部分是單一光電偵測器之複合式光學讀寫頭的光學設計。第二部分是擴束準直鏡之藍光光學讀寫頭的光學設計與應用於角度與位移之測定。第三部分是更進一步的研究關於使用CMOS感測器的DVD光學讀寫頭對於多方位的水平角與傾角之測定。 在本論文的第一部分我們提出單一光電偵測器之複合式光學讀寫頭的光學設計。此複合式光學讀寫頭可以讀取藍光光碟、DVD以及CD碟片的訊號。我們設計此複合式光學讀寫頭使用共光路方式讓三個雷射二極體所發出的雷射光可以遵循同一光軸以達到減少光學元件之目的。此外，我們將三個雷射二極體晶片與一個光電偵測器組裝在一個積體光學裝置(integrated optical unit, IOU)，另外在DVD與CD系統的補償片可與平行四邊形分光鏡(rhomboid beam-splitter prism, RBS prism)做結合。其中閃耀式全像光學元件(blazed holographic optical element, blazed HOE)的設計可以集中光能量至第0階與第1階的繞射光以改善複合式光學讀寫頭的整體光學效率。此複合式光學讀寫頭設計裡的藍光光碟、DVD與CD系統之光學效率分別是5.545 %、 3.889 %以及 3.517 %。在光學效率的模擬結果，本論文所提出的複合式光學讀寫頭之光學效率比三個積體光學裝置的複合式光學讀寫頭還要高，而且此複合式光學讀寫頭的光學元件數目也比較少，有助於縮小複合式光學讀寫頭的體積。 在本論文的第二部分我們提出一個雷射擴束器的藍光光碟讀寫頭可以同時檢測待測面的垂直位移與傾斜角度。為了提高光學效率讓訊號準確可以得到改善，我們使用雷射擴束器讓雷射光的光型從橢圓形轉換成圓形。本研究使用一個四象限光電偵測器去偵測VA, VB, VC, VD四個訊號相對關係，可用來量測待測面的傾斜角度與垂直位移。其檢測訊號是由一個歸一化聚焦誤差訊號與兩個角度訊號所組成。我們所提出雷射擴束器的藍光光碟讀寫頭之光學效率有59.29 %，而市售的光學讀寫頭之學效率卻只有8.08 %。光學讀寫頭擁有較高的光學效率，光電偵測器上的訊號與雜訊就比較容易區分出來。 在本論文的第三部分我們提出一個新穎的檢測方式，利用改良式DVD讀寫頭系統可以同時量測出多方位的方位角以及較小的傾斜角。我們使用一個互補氧化金屬半導體(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)感測器去捕捉影像而且同時分析光型中心位置的微小位移當待測面旋轉一個小傾斜角度去產生一個角度訊號。我們所提出的檢測方法可以判定待測面的方位角從0°到360°，間距為5°；待測面的傾斜角度變化從0°到4.2°，間距為0.3°。模擬結果顯示我們所提出的檢測方法可以辨別待測面多方位的方位角在較小的傾斜角下。最後，我們模擬此檢測系統裡的方位角與傾斜角之解析度分別為4.60°與0.28°。使用較小畫素尺寸的感測器或是縮小聚焦鏡的數值孔徑(NAf)將有助於改善二維角度量測的解析能力。
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由於布拉格繞射對於波長具有相當高的選擇性，此會產生一個單一布拉格結構只對單一波長有好的繞射效率。故本論文使用二維電光非週期性布拉格結構來滿足本論文實驗所需參銣雷射系統中兩種發射頻譜1064nm與1342 nm 的繞射條件，在入射角相同的情況下，可以同時以二維電光非週期性布拉格結構提供不同的倒晶格向量來滿足雙波長的繞射。 再者利用鈮酸鋰良好的電光效應，以週期性極化反轉的技術，將前述所計算的二維布拉格結構，製作長2.5公分，寬5釐米，厚500微米的鈮酸鋰晶體，並且串接一週期性結構，長1.5公分，寬5釐米，厚500微米的鈮酸鋰晶體來滿足合頻之需求，使兩者製作於同一晶片上 最後於布拉格繞射效率中當加上 在量測結果於z方向電場為-250伏特時，1064nm量測到繞射效率為96%，於電壓-350伏特時量測到1342nm的繞射效率為92.5%。在將其放置於Nd:YVO4雷射系統的共振腔中，以電訊號進行Q調製1064nm與1342nm後藉由週期性結構的和頻，達成短脈衝的橘黃光輸出，其脈寬為8奈秒，尖峰功率約為430瓦特，在相位匹配溫度73℃下。
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本研究利用離子交換波導技術製作表面增強拉曼散射之基板及波導試片。利用鋁薄膜當作還原電極將銀離子還原於波導兩側，二階段離子交換製程更進一步加強銀離子的還原，增加填充率，並導致吸收波長紅移。利用氫氟酸蝕刻樣品使得銀原子裸露至表面與目標分子R6G更為靠近。拉曼譜的量測證明此系統是具分子指紋辨識性的。
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本研究以Light tools光學模擬軟體對於不同角度反射面的光連結架構進行模擬，發現當斜面角度為43度到46.5度時，由面射型雷射光源至光偵測器的能量傳輸效率高於80%。其次針對不同半徑的圓弧反射面進行模擬，由結果可知圓弧面的最大反射效率相較於平面反射面可提升10%。在實驗方面，使用鎖模鈦藍寶石飛秒雷射在高分子材料中引發雙光子吸收效應聚合製作斜面微結構。藉由物鏡離焦平面的距離改變照射至光阻的光點強度分佈，成功製作出43度的反射斜面。使用近場掃描光學顯微鏡對於製作出的斜面結構進行表面粗糙度量測，確認其表面平滑度可達35nm(≦λ/10)足夠做為光學等級反射面。最後對於結構進行光場量測，藉反射光場的強度分佈變化來判定所製作的斜面具有匯聚光束的效果。