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利用非歸零格式光數字訊號注入時鐘調變之垂直共振腔面射 型雷射進行歸零格式轉換

在本論文中，我們使用2.5 GHz 的弦波時鐘訊號直接調變偏壓在臨界點之下的垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)，實現OC-48 下全光之非歸零碼轉歸零碼的格式轉換。消光比為5 dB 的非歸零碼資料訊號外部注入到VCSEL，在不需要放大的情況之下，經過半導體光放大器格式轉換器轉換後，歸零碼資料訊號的消光比可提升到9.2 dB。而在位元率2.5 Gbit/s 的操作下，轉換後歸零碼訊號的接收功率在-26.7dBm 時，仍可以獲得10-12 的誤碼率，並在傳輸25 km 後接收功率在-24.3 dBm 時，仍可以獲得10-9 的誤碼率。另外，我們也利用連續波及編碼調製波的光時鐘訊號分別注入垂直共振腔面射型雷射，進行轉換後歸零碼訊號的啾頻研究；理論分析顯示經由編碼調製波注入轉換後的訊號之啾嚬可以比連續波注入的結果還要明顯 降低2.2GHz (約為32 %)，然而脈衝寬也相對地加寬3.2 ps (劣化度17 %)。我們提出的利用光注入被時鐘訊號調變之垂直共振腔面射型雷射實現全光非歸零碼轉歸零碼的格式轉換器，具有簡單的架構，而且轉換後的歸零碼訊號其波長與資料極性皆與輸入的非歸零碼訊號一致。 此外，為因應高速高容量的需求，我們也利用10 GHz 脈衝時鐘取代弦波時鐘調變面射型雷射二極體，實現OC-192 下全光之非歸零碼轉歸零碼的格式轉換，我們使用脈衝式電梳訊號直接調變垂直共振腔面射型雷射，配合非歸零格式光訊號的注入不僅能提高垂直共振腔面射型雷射的調變頻寬，更可以在時域上透過注入鎖定效應有效地窄化其增益線寬。實驗結果顯示欲達成高位元率的操作，必須提高垂直共振腔面射型雷射的偏壓電流及增加反向電梳時鐘訊號調變功率。經過轉換之10 Gbit/s 歸零格式訊號擁有消光比約達7 dB，在接收功率抵達 -17.1 dBm 之下仍可以得到10-9 之誤碼率，相較於低位元率之轉換，訊號啁啾也明顯提升至 4.09GHz。

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有機發光二極體暫態電激發光現象

本論文著重探討有機發光二極體（OLEDs）中載子傳輸的特性研究。我們藉由改變元件尺寸和外加電壓來觀察對應的暫態電激發光現象（Transient electroluminescence）。因為電容效應，元件尺寸會影響暫態電激發光結果。為了簡化問題，我們採用簡化過的式子來近似整體電激發光延遲時間（EL delay time），將延遲時間分為載子注入和載子傳輸時間。根據這個式子，我們推算出Alq3中的電子移動率，並且發現載子注入時間在整體延遲時間中佔有很大比例，同時元件尺寸也和延遲時間息息相關。

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電漿輔助化學氣相沉積含奈米矽晶之富矽氮化矽金氧半發光二極體特性研究

在本論文中，我們研究含奈米矽晶的富矽氮化矽薄膜的光電特性及材料分析。我們使用電漿輔助化學氣相沉積通以矽甲烷與氮氣或氨氣成長富矽氮化矽薄膜，經退火後形成富含奈米矽晶的氮化矽層。我們得到氨氣是比氮氣更適合做為反應的氣體。我們藉由改變氨氣流量，成功地調變了不同矽氮比的富矽氮化矽薄膜。在拉塞福背向散射實驗中，我們證實增加氨氣的流量，則氮化矽薄膜的氮矽比逐漸提高，從富矽氮化矽直到接近純氮化矽。此現象也可由傅立葉紅外線光譜儀中，薄膜中的矽－氫鍵吸收峰值往長波數移動來證實。而藉由穿透式電子顯微鏡，可觀察隨著氨氣增加，奈米矽晶尺寸由大到小，而由量子局限效應光激螢光範圍可從675nm藍移至385nm。其中在氨氣流量為200sccm時光激螢光達到最強，此時的材料化學組態為SiN1.16。 此外，本論文也討論富矽氮化矽發光二極體的電激螢光特性。由電壓－電流曲線可量測極低的導通電壓3伏，其因為金屬與介電層的位障極低之緣故。然而光功率卻只有45奈米瓦。因此我們探討材料本身電荷的儲存效應。由電容－電壓量及保持時間測得，相較於富矽氧化矽元件，富矽氮化矽元件中電子電洞不易儲存於奈米矽晶中，此即造成電子電洞對在奈米矽晶裡的復合機率偏低之因素。

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II-VI及III-V族化合物半導體之紅外光譜研究

光學量測對於分析半導體材料具有很重要的地位，尤其是對於材料的結構、特性，甚至是物理機制。而近幾年的半導體材料，由於它的材料特性非常適合應用在現今生活的電器設備用品上，譬如：發光二極體、積體電路原件…等，所以被廣泛而且深入的研究，縱使已經有不少上市產品應用半導體為材料，但是仍然有許多的問題與困難需要解答與突破，因此，我們將針對目前的許多挑戰做研究。 拉曼散射與紅外光譜是在研究半導體材料的晶格振動，我們可以藉由晶格的振動來判斷研究的材料或樣品的品質和成分，由於拉曼散射實驗與紅外光譜是非破壞性的光學量測技術，非常的方便且不需繁雜的事前準備或樣品處理，所以我們著重二者的應用，將所研究的樣品經由拉曼散射實驗與紅外光譜做初步的瞭解與分析，可以幫助我們在樣品的結構、成長或各種變因上做調變，有效而且快速的提供正確且有用的資訊。 此外，我們還會使用各種不同的光學量測系統得到更多的材料特性，進而得出相互驗證的結果，例如使用光激發螢光(PL)量測系統可以快速又可靠的得到材料中能階結構與載子躍遷行為，也是一個有力又無破壞性的技術，而搭配上螢光激發光譜(PLE)將可得到更完善的能隙或雜質能階譜線。傅氏轉換紅外線光譜儀(FTIR)則可以判斷長晶薄膜的厚度，樣品中是否含有雜質，並將其配合拉曼實驗可以得到完整的晶格振動譜線；X光繞射儀(XRD)就是利用X光進入晶體時，會被原子散射，當存在某種相位關係(相位差)兩個或兩個以上散射波相互疊加後，就會產生繞射現象。偵測器收集到繞射訊號強度，得到待測樣品的繞射圖譜，此繞射圖譜一般來說是以繞射強度對繞射角作圖，將此繞射圖譜經過結晶面標定過程後，便可得到樣品的結晶結構；X光光電子能譜術(XPS)，或稱之為化學分析電子能譜術(ESCA)是分析材料表面的電子結構與化學成分之重要方法之一。除了有較高的表面靈敏度及較高的化學分析能力，最重要的是光子對於物質的破壞性較低。因此，能被廣泛的應用於微電子元件的研究，如薄膜間因為不同製程階段的材質交互反應所引發的能帶偏折、能帶差位、以及化學能位移等物理量的量測。

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可形變鏡面於自動對焦光學系統之控制方法

照像手機已經成為現今手機市場的主流。因為照像手機的容易取得以及普遍性，許多人會使用照相手機來拍攝一些生活中令人難忘的畫面，現今照像手機所使用的照相模組也因此不斷的進行改進期望達到更好的成像品質以及更小的體積，為了提高照相模組的拍攝品質，許多的電子功能都會搭配於照相模組之中，例如:自動對焦、影像縮放、以及電子白平衡，而在這些電子功能當中，又屬自動對焦最為基本及普遍。 傳統的照相模組是採用移動模組內透鏡的方式來改變整個系統的焦距，而移動透鏡的方式則是會利用馬達來調整透鏡相對於CCD感測器的位置，而成像的對焦程度也會因此產生變化。雖然這種移動透鏡的方式在現行的自動對焦照相模組中最為盛行，但是這種模組卻因為必須預先保留透鏡移動的空間而造成整體模組的體積難以縮小。 在這篇論文中我們提出了一種採用可行變鏡面來改變整體模組的焦聚的方式來實現自動對焦的功能，並且根據這個可行變鏡面的物理及光學特性來設計整個模組及控制的方法。其中控制的方法是根據計算影像對焦程度以及搜尋影像對焦成度最大值的演算法來進行程式的撰寫，最後，我們會實際利用LabVIEW®和MATLAB®這兩個程式撰寫平台來設計出一套自動對焦系統，用來控制這個利用可行變鏡面來變焦的光學模組。

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有機發光元件之光電特性

本文中，我們探討微結構在有機發光二極體造成的耦合出光現象。經由微結構的耦合效果，和平面結構比較我們觀察到隨角度變化的發光強度增益以及半波全寬縮減。 第二部分中，我們實驗一種新穎的二茂鐵衍生材料的光電特性，並且將此材料應用於有機發光元件，試驗其電洞注入、電洞傳輸、電子注入、電子傳輸的能力。

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以疊代演算法設計整型高斯光束為強度及相位均勻分佈之純相位繞射元件

在許多的雷射應用中，均勻強度的光束是常被利用，甚至在某些應用中這樣的特性是被要求必有的特質。然而一般的雷射光束並沒有提供均勻強度的光場，其強度為高斯分佈；當入射雷射光被擴大，僅使用部分近似均勻強度光場時，將會造成大量的能量損失，這是在許多應用時所不樂見的情況。因此，有效的將高斯光束轉化成強度均勻及相位均勻之光場將是雷射光束整型典型的重要問題。 在本論文中，我們設計一片繞射元件將高斯光束轉換成均勻分布的光束，並且利用另外一片繞射相位元件去補償相位差，在重建場得到相位均勻的效果。根據Fresnel 繞射理論，我們利用複立葉轉換疊代演算法(Iterative Fourier Transform Algorithm)計算設計，以得到繞射元件的相位分佈。在模擬過程中，我們透過統計化參數測試的模擬情形，提出如何得到較佳光束品質的設計規則；我們使用不同的相位量化方法模擬設計，進一步提昇均勻度及效率較好的結果。對於二階元件而言，傳統相位量化方法與步階量化方法的均勻度值(Uniformity)各別為6.04及4.16；對於四階元件而言，其均勻度值各別為2.46及2.36；與前人的模擬結果比較，其八階相位量化的誤差平方和(sum-squared error)為19.5%。根據步階量化的結果可改善至13.5%。最後，針對元件之製程深度及刻度誤差，進行容忍度的模擬分析。

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含矽基奈米矽之富矽氧化矽光波導增益研究

在本論文中，我們對 SiO2/SiOX/SiO2/Quartz-substrate 帶狀波導及 SiO2/SiOX/SiO2/Si-substrate帶狀波導做模擬。 在模擬波導的結構時，我們使用了等效折射率法 (EIM) 、光束傳播法 (BPM) 、有限元素法 (FEM) 。 接著，我們製作出這兩種不同結構的波導並利用可變長度法 (VSL) 對一維放大模型公式做曲線擬合，量測其光增益及損耗係數。 我們觀察到內埋奈米矽富矽二氧化矽帶狀波導的自發輻射放光 (ASE) 範圍在 750 - 850 奈米，而其頻譜線寬為 140 奈米。 此外我們得到 SiO2/SiOX/SiO2/Quartz-substrate 帶狀波導的光增益與損耗係數分別為 70 和 5 cm-1 。 而 SiO2/SiOX/SiO2/Si-substrate 帶狀波導的光增益與損耗係數分別為 106.7 和 21 cm-1 。 成長於矽基板的波導元件之光損耗係數較成長於石英基板的波導元件為大，是由於光模態洩漏到矽基板中。 而矽基板波導元件的光增益係數也較石英基板波導元件大，是由於矽基板波導元件具有較佳的光模態侷限。 在小訊號放大實驗中，對於795奈米的雷射小訊號在波長325奈米的氦鎘雷射與激發功率 43.7 毫瓦的條件下，我們在 1 公分的SiO2/SiOX/SiO2/Si-substrate 帶狀波導中得到高達 11.73 dB 的小訊號增益。

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多色彩奈米矽基金氧半發光二極體

在本論文中，我們主要是利用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)技術法，藉由改變電漿的射頻功率等製程參數，提出可調控式富矽氧化矽(Si rich SiOx)薄膜層中光激螢光波長之方法。 經由穿透式電子顯微鏡X光能量散射光譜儀(TEM-XEDS)的結果指出當電漿射頻功率增加時，富矽氧化矽層中的氧/矽組成比例，也隨之逐漸提高。在經過高溫退火後，氧化矽層中的奈米矽晶粒的平均大小，隨著氧化矽層中的氧/矽組成比例增高而變小。換言之，可藉由改變電漿的射頻功率與高溫熱退火處理技術，來調控富矽奈米矽晶粒的顆粒大小。同時藉由不同尺寸的奈米粒子所產生之量子效應可得到對應於奈米矽晶粒大小相關的可調之光激螢光光譜波長，其螢光光譜範圍可從390 nm到780 nm。 此外，論文中也針對富矽奈米矽基金氧半發光二極體元件的電激螢光(EL)特性加以討論。由I-V結果顯示，在電漿射頻功率由50 W增加到70 W所製備的元件，其起始操作電壓均呈現非線性的增加，但是起始操作電場強度卻維持在6.6 × 10^6 V/cm，進一步經由光學顯微鏡拍攝此系列參數於正向電流注入下之發光圖像，可分別得到红色、綠色和藍色的電激螢光影像，這結果也驗證經由製成參數調控所製備的不同尺寸大小之富矽奈米矽粒子，於EL結果中呈現藍位移的現象。

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掺鉻釔鋁石榴石光源應用於光學低同調掃描中解析度與訊雜比之研究

在以單一光偵測器為量測系統的光學低同調掃描架構中，縱向解析度受光源的中心波長與頻寬所影響，而訊雜比受光源的不穩度所影響。本實驗室所原創之摻鉻雙纖衣晶體光纖，不但具有高頻寬，且為高穩定度的連續光源，因此可用以研製高縱向解析度與高訊雜比之近紅外光學低同調斷層掃描儀(OCT)。 藉由雷射加熱基座生長法，我們已生長出雙纖衣結構的摻鉻釔鋁石榴石光纖，當此光纖以波長為1064 nm的摻鐿光纖雷射作為幫浦光時，可產生中心波長為1.38 um、頻寬為240 nm、不穩度為0.03%的自發輻射光源。我們將其應用於OCT系統中，已可成功檢測出單層肺癌細胞層的干涉訊號，實驗結果顯示肺癌細胞厚度約為6 um。另外，經由色散補償的實驗與模擬，我們已使系統的縱向解析度從5.1 um提升至3.75 um，同時系統的訊雜比為68.3 dB。 此外，我們修正文獻中OCT訊雜比模型而建立適用於各光源的OCT訊雜比模擬模型，根據模擬結果，我們認為無法透過調變參考光強度而達到散粒雜訊(shot noise)極限，同時我們也於調變參考光強度的實驗結果中證明此預測。最後，根據振幅雜訊影響訊雜比的模擬結果，我們認為以單一光偵測器為量測系統的OCT架構中，Cr:YAG光源的訊雜比應已非常接近於此架構的最佳值。