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PIN鍺光偵測器及雪崩增益之研究

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可調控式隨機雷射之研究

在隨機雷射領域中，如何控制雷射光譜一直是學者們所想要達到的目標，藉由控制隨機雷射可以使我們達到更多的應用與發展。本研究中，我們利用兩種不同的機制來控制隨機雷射。 第一個機制是利用光來控制隨機雷射的行為。我們以具有特殊雙股螺旋結構的去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）分子材料，作為銀奈米晶種的生長模板，並運用光還原法，來生成散射介質，也就是銀奈米粒子。我們透過光還原時間的不同來改變銀奈米粒子的大小、形狀及數量，進而改變隨機雷射的特性，並分析激發能量門檻值，放射波長以及振幅傅利葉變換(power Fourier transform)在不同還原時間下的結果。 第二個機制是利用電場的方式來控制隨機雷射。我們會在設計好的平行板結構間隙中，加入含有聚苯乙烯(polystyrene)粒子及雷射染料Rh6G（rhodamine 6G）的溶液，再施加不同大小電場，利用介電泳力的原理，來影響聚苯乙烯粒子的分佈，藉由粒子分佈的不同來影響其隨機雷射光譜模態，同樣的，我們也利用平均自由路徑以及振幅傅利葉變換(power Fourier transform)來分析隨機雷射的行為與外加電場的關係。

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增強電漿子奈米結構的偵測靈敏度與分子結合效率之研究

在本論文中提出了幾種方式來有效率的利用金屬週期結構提升表面電漿共振的偵測極限，方法分別是小角度入射樣品、光譜積分法以及結構本身的色散曲線，此外也利用了高密度的金屬圓盤矩陣結構，進行螢光分子的動態光捕捉研究。 在奈米狹縫的實驗中，金屬奈米狹縫陣列是利用奈米壓印技術製作而成，其狹縫寬度與週期分別是60奈米及500奈米，當光源小角度入射至奈米狹縫樣品時，會導引出表面模態與基板模態的共振耦合效應，此效應會在入射角度為5.5度時提高約2.24倍的強度靈敏度，另外在此角度入射樣品時會產生多重波峰，藉由利用多重波峰特性並結合光譜積分法的數值分析方式，與單光譜分析方式做比較，及提升訊噪比達5倍左右。 在奈米孔洞的實驗中，金屬奈米孔洞陣列是利用奈米壓印技術製作而成，其孔洞直徑與週期分別是180奈米及600奈米，在改變入射角度時，奈米孔洞的結構中會產生(±1,∓1)的表面模態，此模態有很高的角度靈敏度達到約440 deg/RIU，此一模態的產生，是由於大角度入射樣品造成電場侷限在孔洞腔體中，進而形成一平緩色散曲線，與接近0度入射相比，此一表面模態增加了約6.2倍的角度靈敏度，另外與傳統稜鏡耦合方式相比，在630奈米與850奈米的波長下，分別提升了約2.3以及4.5倍的角度靈敏度。 在高密度金屬奈米圓盤的實驗中，金屬奈米圓盤陣列是利用電子束微影技術製作而成，其圓盤直徑與週期分別是500奈米及1微米，利用暗場入射光(照射強度約3.58 × 103 W/m2)照射在此金屬圓盤上，其圓盤邊緣會有約15倍的螢光增強效果，也利用590奈米的塑膠小球實驗來證明此結構產生的光捕捉力量約10飛牛頓，此外在含有硫基鍵結與Cy5螢光染料的DNA分子動能實驗方面，也證明了在不同照射強度下，會有不同的鍵結效率，分別是2.14 × 103 s−1 (I = 0.7 × 103 W/m2)以及1.15 × 105 s−1 (I = 3.58 × 103 W/m2)。 根據上述提供的方式，並且結合小角度入射樣品、光譜積分法以及結構本身的色散曲線，可以有效率的提高強度、角度靈敏度以及偵測極限，此外利用金屬圓盤結構也可有效率的提高分子的鍵結效率並縮短鍵結時間。

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利用快速熱熔磊晶法製作鍺錫波導光偵測器

近年來，隨著半導體產業的發展，半導體元件與矽晶圓整合愈來愈受到重視，光連結系統是相當有潛力的一個方向。鍺錫合金的特點為隨著錫濃度的改變，可以使鍺錫合金變成直接能隙材料，同時鍺錫合金可與矽晶圓有良好整合。由於鍺錫與矽之間的晶格常數差異，使得鍺錫合金與矽晶圓的異質整合得仰賴於磊晶技術的改進，但製程中所累積的熱積存無法避免地會使鍺錫元件與積體電路之間的整合變得更加困難。 　　快速熱熔磊晶法是一種應用於異質整合的方法，透過快速熱熔磊晶法，可以製作出矽鍺錫異質整合元件，藉由矽波導的光學耦合，我們成功製作出高耦合效率之鍺錫波導光偵測器，同時維持鍺錫合金的結晶品質，並拓展傳統鍺光偵測器光響應的波長範圍，透過金屬-半導體-金屬光偵測器的結構，使元件具備高速運作的可能。利用快速熱熔磊晶法製作鍺錫金屬-半導體-金屬光偵測器，特點在於製程簡易花費低、高結晶品質、低熱積存、高相容性以及高頻寬。

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利用非均質結構產生之介電泳力操控聚苯乙烯微球作為可調式光學共振腔

本研究目的為利用非均質結構產生之介電泳力去調控聚苯乙烯微球(共振腔)與脊狀波導間的垂直耦合距離，首先利用投影機投影圖形在光導材料(a-Si)上，利用其產生的不均勻電場誘發介電泳力去操控微米球共振腔至波導附近，此時微米球會受到非均質結構(脊狀波導)的吸引力而停在波導的正中心，接著利用改變外加電壓去調整微米球共振腔與單模脊狀波導之間的垂直耦合距離。 在我們的元件中滴入混有聚苯乙烯球(n=1.571)的蔗糖水溶液(n=1.34)，並以SU-8負光阻(n=1.569)製作脊狀波導(非均質結構)於晶片上，經由實驗量測微米球共振腔與光波導間的穿透頻譜，透過分析頻譜上峰值的深度以及透過頻譜擬合計算得到的品質因子，可將在不同操作電壓下聚苯乙烯球與光波導間的耦合情形分別歸類在過耦合(over-coupling)，近臨界耦合(near critical-coupling)，和弱耦合(under-coupling condition)等三種情況。

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整合微流體系統與表面電漿光柵晶片於醣化血紅素量測

表面電漿生物感測技術擁有比其他生物感測方法有更高的靈敏度，如今已經發展出很多不同的表面電漿生物感測方法。本論文主要是利用光柵式表面電漿感測方法偵測生物檢體。此方法最主要是藉由觀察反射頻譜的變化量，而去感測光柵表面物質的變異。我們利用有限時域分析法 (Finite Difference Time Domain)這個方法去模擬後發現改變光柵表面形貌會影響反射頻譜的特性。接著我們將表面電漿晶片整合在微流道上利用微流道能夠大幅減少檢體用量和使液體傳輸自動化的特性使整個偵測流程更加快速方便。再來我們利用整合微流道的表面電漿晶片偵測糖尿病的指標HbA1c 生物檢體。一開始我們先利用螢光標定的方式確認第一層的適體(aptamer)有最好的自組裝，確認好最佳濃度和時間後，我們分別通入0~3 μg/μl 的HbA1c 接著在通入0.025 μg/μl 糖化血紅素抗體(HbA1c antibody)，而我們可以看到HbA1c的訊號偏移量會隨著濃度改變而有不同、而HbA1c antibody 雖然是注入的相同濃度，但會因為HbA1c 的鍵結量不同而有線性變化。

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消除瑞利反向散射機制與被動解偏振多工接收之光學多頻帶正交分頻多工被動光學網路系統

隨著消費性電子產品的普及與網路使用習慣的改變，近年來訊號的傳輸速率比起往年呈現指數型增長，隨之而來的硬體升級亦是建置成本上的一大挑戰。在都會型網路的架構中，如何沿用現有的硬體並提升資訊傳輸量，並以低成本實現用戶端的接收與上傳，是現在網路系統中熱門的議題。 本論文首先敘述DDO-OFDM的產生與接收原理，再描述被動光學網路的演進與OFDM PON的優勢。以多頻帶DDO-OFDM作為基底，應用於被動光學網路的架構中作為下傳，並搭配多頻帶Nyquist QPSK上傳，完成一套PON的系統。在實驗上證明在同一光纖中傳輸時，操作時同波長的上下傳訊號會因瑞利反向散射(Rayleigh backscattering)而影響訊號品質，並提出一套可以迴避瑞利反向散射的模型運用在PON之上，並進一步擴展成八通道的WDM系統。此外，為再提升訊號傳輸量，論文中提出一套可相容於原系統上的被動偏振多工模組，並與主動的偏振多工系統相比較，使系統提升一倍的傳輸效率。

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利用多片熔融矽石產生短波長連續頻譜

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Characterization of octave-spanning continuum generated from multiple SiO2 plates

超八度的超連續頻譜是產生獨立亞飛秒超短脈衝的關鍵。近期實驗室發展出一個產生俱有超八度連續頻譜的超短脈衝技術：使用多重熔融石英片進行展頻 (MPContinuum)。超八度連續頻譜可壓縮成為一個時域上為亞飛秒等級的超短脈衝，但頻域上俱有如此高頻寬的超短脈衝，其時間上的長度非常容易受到色散影響。因此超八度連續頻譜的超短脈衝相位量測非常重要。在此論文中我們使用偏振閘互相關頻率解析光閘 (polarization-gating cross-correlation frequency-resolved optical gating ，縮寫為PG-XFROG) 進行超八度連續頻譜的超短脈衝相位量測。由量測到的偏振閘互相關頻率解析光閘頻譜圖 (PG-XFROG trace) ，藉由相位重建疊代演算法可重建出此超八度連續頻譜的脈衝相位。透過疊代演算得出的脈衝資訊，可讓我們更了解此展頻過程中的物理機制，並將量測出的相位進行壓縮，產生獨立亞飛秒超短脈衝。

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低暗電流、高響應度、及均勻光敏特性之磷化銦/砷化銦鎵系列短波紅外光偵測器

於本論文中，我們設計與製作平面型大面積之磷化銦/砷化銦鎵系列異質接面光偵測器元件，並結合不同抗反射層和二次吸收路徑反射結構，以增進元件之響應度、量子效率、及光敏特性。其中，抗反射層結構是由高低折射係數材料所組成，分別包括絕緣型氧化矽/氮化矽雙層、導電型氧化矽/氧化鎵鋅雙層、及導電型氧化矽/氧化鎵鋅/氧化鎳三層結構。而二次路徑反射結構則由金鍺合金所構成。 　為了製備n型氧化鎵鋅導電薄膜，我們採用化學氣相沉積相關之熱模式與電漿模式原子層沉積技術，以及物理氣相沉積機制之射頻濺鍍法等沉積方式。就原子層沉積技術而言，是以一層一層成長方式來形成三明治多層結構的氧化鎵鋅薄膜，且可藉由調變成長溫度和導入不同氧來源，以改善此薄膜特性。如此，可獲得3.8 x 10-3 Ω-cm的電阻率和3.4 x 1020 cm-3的載子濃度，並在可見光與紅外光範圍可得到高於90%的平均穿透率。就射頻濺鍍技術而言，其製備的氧化鎵鋅薄膜可得到2.9 x 10-3 Ω-cm的電阻率和3.6 x 1020 cm-3的載子濃度，然而，過低的光學穿透率使得它無法應用於短波長紅外光區域範圍。另一方面，p型氧化鎳導電薄膜可藉由電子束蒸鍍法並搭配氧氣環境的快速退火方式來製作完成。 　而利用射頻濺鍍與原子層沉積兩種技術，成長重摻雜的氧化鎵鋅薄膜於p型磷化銦/砷化銦鎵的結構上，其呈現出蕭特基接觸之特性，而此n型氧化鎵鋅/p型磷化銦接面存在之能障，能藉由二次鋅擴散步驟與採用氧化鎳嵌入層來降低能障高度，使之呈現歐姆接觸特性。經由二次快速熱鋅擴散製程，在p型磷化銦層之表面可得到高的鋅原子濃度(5-8 × 1018 cm-3)。為了探討其接觸特性表現，在p型磷化銦層上設計並建構一系列傳輸線法之結構，此外，由於接面能障高度扮演著一關鍵因素，可藉由導入氧化鎳嵌入層於n型氧化鎵鋅和p型磷化銦接面之間，以達到歐姆接觸特性。而金/鉻/氧化鎵鋅/氧化鎳接觸結構建立於鋅摻雜之p型磷化銦層上，在經過430℃時間180 sec的熱退火處理後，可獲得良好的歐姆接觸行為，以及3.07 × 10-4 Ω-cm2的特徵接觸電阻。如此，若在元件應用上，利用電漿模式原子層沉積技術成長透明導電的氧化鎵鋅層於磷化銦/砷化銦鎵系列光二極體，可有效改善元件之橫向電阻的問題，除此之外，氧化鎳層能進一步降低n型氧化鎵鋅和p型磷化銦接面之間的能障高度，達到元件優化的目的。 　氧化矽/氧化鎵鋅/氧化鎳三層抗反射結構呈現90%以上之平均光學穿透率及低於10%以下之反射率，而金鍺/金合金之背面反射鏡可呈現80%以上的光學反射率，如此，結合抗反射鍍膜層和二次路徑反射結構此兩項優點，可達到減少入射光的損耗與增加二次光學路徑的吸收，以此提升元件表現。藉由導入透明導電型抗反射層和二次路徑反射鏡，至平面型大面積之磷化銦/砷化銦鎵系列光偵測器元件之結構中，其元件可呈現的低暗電流密度為32.8 nA/cm2於-5 V偏壓下、高崩潰電壓達到-35V、內建電位約為1.65 eV，在1310 nm和1550 nm波長的光照射之下，可得到高的光響應度分別為0.93 A/W和1.09 A/W，且在1000 nm至1600 nm波長頻譜下，其高量子效率接近90%，截止波長大約落於1650 nm波長。搭配SiO2/GZO/NiOx導電型抗反射結構的光偵測器元件，以相對較高能量的光照射在不同元件吸光位置之下，其可呈現均勻的光敏性分布。