清華大學光電工程研究所學位論文
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利用快速熱熔磊晶法(RMG)於矽基板上製備鍺錫合金結構，探討其材料特性。我們以RMG法製備出直條狀結構，因為錫的熔點較低，所以在磊晶過程中會被推至尾端最後固化析出，因此直條狀結構尾端會有明顯的鍺錫分界面，以致於高濃度鍺錫合金分布集中在邊界處，且遠離純錫界面合金濃度會急劇下降。我們將針對直條狀結構距成核窗不同位置下微光致發光(Micro-PL)的光譜量測，探討其濃度變化，並以微拉曼(Micro-Raman)量測結果互相比對。 因為鍺錫合金只分布在直條狀結構尾端幾個微米的範圍，而為了能有大面積、高濃度的鍺錫合金，我們試著在鍍膜時增加錫的濃度，利用RMG法製備大面積排列的柱狀結構，並以SEM以及TEM分析其磊晶情形與鍺錫合金的濃度分布狀況，另外加入非晶矽層來測試改善鍺錫合金的濃度分布情況。
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本研究結合由“top-down”微影製程所得到不同形貌的奈米模板以及“bottom-up”的嵌段共聚物自組裝方法來得到一個大面積且具有序性的奈米結構。 在第一版奈米模板中，我們以沉積硬遮罩取代光阻、調整蝕刻氣體參數以及事先成長蝕刻終點的方式，得到擁有垂直側壁、平坦底部以及改善微溝渠現象的奈米模板；而在奈米模板尺寸及圖形的優化上，第二版奈米模板利用電子束微影系統搭配製程的垂直整合得到週期為250奈米的奈米光柵結構，第三版奈米模板則是透過多重曝光的方式改善正方形及六角形結構的角落圓滑現象。
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在本研究中，利用波導模態共振的理論結合金屬光柵，該金屬光柵能夠選擇性地將垂直入射光耦合到波導層，用於增強特定波長之光穿透至鍺層，同時藉由調整金屬光柵週期便能達到濾波效果，且該光學元件設計於近紅外光波段，濾波範圍涵蓋1220nm~1500nm。我們成功將其製作在鍺光偵測器上，僅需測得光訊號便能作出不同波長的選擇性偵測，達到光電整合之目的。在週期設計840nm與860nm分別相對於共振波長1315nm與1350nm其半高寬皆小於15nm。
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在本研究中，我們主要在金光柵表面電漿(SPR)系統下，加入鐵磁性材料形成金/鐵/金之三明治結構，以提升橫向磁光柯爾效應(TMOKE)的表面電漿增強現象，並應用於非標定、高敏感度的光學生物量測。經材料選擇與結構尺寸優化，而後整合PDMS微流道系統封裝；其中包含微泵浦(micropump)及閥門(normally-close valves)等動件並加入PDMS稜鏡設計降低反射雜訊，成一32×22 mm2的自動化生醫感測晶片。我們分析了元件特性及生物量測的能力，其最大磁光訊號約為0.04 且能觀察到磁光訊號在共振波長附近對環境折射率具有相當高的靈敏度。首先透過整合好的磁光感測晶片來量測不同濃度的蔗糖水溶液，所測得之本質解析度與蔗糖水(bulk solution)的最小解析濃度分別約為1.47×10-6 RIU與0.007%(wt)；之後利用高親和力的avidin/biotin生物組合做動態(real time)量測：預先將biotin透過BSA標定接於元件金表面，後通入不同濃度之avidin驗證表面電漿磁光訊號對表面附近之生物檢體具有線性量測與定量分析的特性，計算得出avidin 之解析度約為31nM。
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於本論文，我們著重全光調變格式轉換系統之研究，透過三階非線性效應，不但設計出新穎的全光調變格式轉換系統，更進行深入且完整的探討。首先，在低速轉高速格式的轉換系統中，我們與新加坡國立大學合作，建立100 Gbps RZ-QPSK之訊號傳輸平台，並透過四波混頻機制，完成RZ-QPSK 與 ASK 轉 RZ-8QAM的調變格式轉換系統，並進而探討交互相位調變對於轉換效果之影響。緊接著，我們透過交互相位調變，提出一種相對容易實現的方式，能在雙向傳輸架構中以低成本、低系統複雜度與抗背向散射的優勢，完成四路低速的NRZ-OOK 轉一路高速的PDM RZ-QPSK 訊號。而在高速轉低速格式的方向上，我們藉由四波混頻效應，提出相位透明的轉換機制，在雙向傳輸的架構中，完成NRZ-QPSK 轉 2 × BPSK的轉換系統，不僅不需昂貴設備與複雜架構，更可完整保存原訊號的相位資訊。最後，我們設計新型系統，能在一段光纖中，同時完成高速到低速格式，以及低速到高速格式的轉換。其中，在高速轉低速的部分，我們進化成在一路的方向上，完成NRZ-QPSK to 2×BPSK的轉換。而在低速到高速的部分，我們透過自我幫浦的方式，完成兩路PSK to QPSK的調變格式轉換。由於兩道轉換機制可在同一段光纖當中完成，因此可達到降低結構成本與降低架構複雜度的優點。此外，由於兩道機制是在垂直的偏振態、且相反方向所完成的，故可減少反射雜訊的干擾，例如：受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering)、雙重雷利背向散射(Double Rayleigh Backscattering)。
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隨著各式網路需求快速的發展，例如高速商業網路、光纖到家或是光纖與無線通訊整合應用，光纖通訊流量需求逐年快速成長。在各種光學擷取網路技術中，因為成本的考量，目前以被動光學網路被最多研究團隊重視與討論。而為了滿足快速成長的網路需求，正交分頻多工技術也開始被考慮為下一世代被動光學網路的調變格式。 為了提升被動光學網路的系統表現，例如傳輸速度、誤碼率或是成本效益等，大多數的研究團隊都專注在中央機房傳輸設計或是用戶端的接收設計。因此，各種光學的調變與接收機制被提出來討論；然而，為了增加系統表現而更改用戶端的設計，往往伴隨著巨大的建置成本。在本論文研究中，我們提出了二個升級模組的概念：第一個是在遠端遙控端，我們透過簡單的被動光學原件，可以達到加倍通道的傳輸量以及用戶數的偏振態解多工模組；另一個是，透過空間路由的方式解決反向散射干擾的升級模組。兩個被提出的架構都不需要更動用戶端的設計，同時可以與分波多工系統相容；也因此可以提供系統供應商一個可以依照其市場需求的升級方案。 最後一個研究計畫是能均一化用戶下傳表現的強度調變系統。由於雙邊帶的訊號在傳輸後會受到射頻衰減的問題；不同頻率、不同接收位置的用戶也因此會有不同的訊號表現。然而，這樣不公平的接收表現不利於一般的商業模型。在本論文中，首次提出利用多載波分碼多址的調變格式來使0-100公里中各個使用者能有接近的接收表現。此外多載波分碼多址不僅與正交分頻多工擁有相同的通道容量與頻譜效益，其接收表現還可以透過數位演算法的方式進行進一步的提升，以獲得更好的系統功率預算值。
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在今日，光接取網路是提供通訊服務不可或缺的一環。隨著近來服務內容的增長、例如高畫質影像串流和雲端運算，提升被動光學網路(PON)和無線電接取網路(RAN)的傳輸效益、包含頻譜效益和成本效益，已經成為銳不可擋的趨勢。近年，在無線通訊中十分成熟的正交分頻多工(OFDM)技術，成為這項工作的可以仰賴的解決方案之一。直接接收光學正交分頻多工(DDO-OFDM)技術已經確保可以增進整體傳輸效益。數以千計的學術和產業界研究計畫都致力於直接接收光學正交分頻多工在被動光學網路和無線電接取網路的研發工作。 在這個論文中，以建置成本與營運成本可負擔做為前提，為進一步地增長傳輸效益，我們研究並透過實驗證實三項解決方案。第一，我們提出多頻帶直接接收光學正交分頻多工系統，藉以大幅舒緩傳輸端與接收端裡電子元件技術的瓶頸。透過簡單的光學單頻帶(SSB)濾波器，在光學檢測器中產生的訊號間拍頻干擾(SSBI)可以大幅度避免。在50 GHz的傳輸頻寬中，整體的傳輸率達到150 Gb/s。第二，為進一步改善頻譜效益，我們在被動光學網路的接收端裡應用了遞迴式數位訊號處理技術，以削除訊號間拍頻干擾。透過重建多頻帶直接接收光學正交分頻多工訊號的訊號間拍頻干擾，這項數位訊號處理可以逐步地抹除訊號間拍頻干擾。結果顯示訊號表現在2次遞迴運算之後達到飽和，而傳統的空白保護頻帶減少了66%。第三，在多頻帶直接接收光學正交分頻多工系統中，加入偏振態多工技術。為了符合集中式無線電接取網路架構在下世代行動通訊的發展，傳統上以接收端設計為出發點的偏振態分工解多工技術、回授式偏振態追蹤技術或偏振態等化數位訊號處理皆非為我們系統所需。在這個研究中，我們在中央機房端產生具有兩個偏振態正交的光學載波的偏振態多工訊號。透過一個簡單的光學濾波器就可以完成偏振態解多工。基於這項無偏振態追蹤技術，我們提出兩項解決方案，分別是一個偏振態多工的多服務光載無線(RoF)行動網路前段和一個偏振態多工的光載中頻(IFoF)行動網路前段。一般系統使用的偏振態追蹤訓練訊號，在這兩項系統中將不再被需要，因此系統傳輸率將是一般單偏振態系統的兩倍。更甚者，兩個偏振態正交的光載波可以被重複利用於產生上傳訊號，而無須任何偏振態控制機制。因此，我們可以建立真正無須偏振控制的光學網路端點(ONU)和用戶端(UE)。於偏振態多工多服務光載無線行動網路前段的展示中，我們應用一個12 GHz的低頻訊號與一個62.5 GHz的毫米波訊號。而在偏振態多工光載中頻行動網路前段的展示中，前述的光學單頻帶濾波器將同時做為多頻帶解多工與偏振態多工解多工兩項技術使用。 總結前述，藉由應用多頻帶技術、遞迴式數位訊號處理，與偏振態多工三項技術，直接接收光學正交分頻多工系統的頻譜效益將在可負擔的成本之下獲得有效的增長。這些集中化的系統架構設計將依循下世代行動通訊對於系統複雜度集中化的大趨勢。因此，這些解決方案將能提供高度的頻譜效益與成本效益予被動光學網路與無線電接取網路，對未來光接取網路與其通訊技術的研究發展將有大程度的貢獻。
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在這份論文中，我們提出一個新的量測技術：「互相關聲圖量測」，用來解析寬度短至單週期以下的超短脈衝的時域形狀。傳統的量測方法，例如「頻域分辨光學開關」和「頻譜干涉技術」大多受限於嚴重的群相速不匹配而須使用非常短的非線性晶體來進行量測。由於「互相關聲圖量測」將超寬的頻譜每次只擷取一部分出來和另一個已知的光學脈衝進行互相關強度量測，因此可以成功避開群相速不匹配的狀況，並得以使用較長的晶體來獲得更高的量測效率。 我們在模擬中成功利用100微米的硼酸鋇晶體解析一個從400奈米至980奈米的超連續光譜的相位，對應到時域上是寬度僅有2.3飛秒（0.88載波週期）的超短脈衝。在論文中我們也詳細討論了「互相關聲圖量測」中不同參數的選擇和其影響。我們認為這個方法相較於其他提出的脈衝量測技術有彈性，且量測的靈敏度更高。
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這篇論文包含三個部分:藉由不同同調程度的光來控制調變不穩定(MI)、藉由訊號光與背景光光強度比例來控制MI、藉由週期性調變外加偏壓控制MI能見度變化範圍。第一部分介紹外加偏壓與同調長度組成的相圖。可以觀察到MI1與MI2的兩種狀態與它們共存態、橫向不穩定、光汶流等狀態以外。兩不同週期與方向光調變不穩定條紋的共存行為可以藉由非等向性非線性係數來解釋。平面波與MI1、MI1與MI2轉換邊界可以被描繪在相圖上。第二個工作解釋MI在高光強的抑制行為: 折射率對光強度響應呈現飽和非線性。可以藉由不同訊號光與背景光比例來控制高對比度MI條紋落在訊號光的範圍。第三個工作施加不同頻率的調變偏壓來控制MI對比度震盪幅度。當非直覺MI對比度震盪頻率峰值被觀察到時，這方法有可能用來量測系統內部隨時間的微擾變化頻率。
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利用Ⅳ族的鍺作為吸收層的光偵測器在積體電路有高度的整合性，其吸收波段更是與目前光通訊的主要波段相符，我們利用傳統的p-i-n結構並引進臨界耦合的概念設計出高頻率響應、高頻寬的光偵測器，入射的光訊號其所有能量會在共振腔中形成建設性干涉，共振腔外的地方形成破壞性干涉，因此入射光的能量會完全被吸收層吸收，只需要數百奈米的鍺，就可以有90%以上的量子效率，也由於吸收層厚度較傳統的鍺光偵測器薄，頻寬可以大幅提升到50GHz，其缺點是頻譜線寬只有約15奈米，但透過反常色散關係設計進行頻率補償，可以使頻譜線寬增加到50奈米，我們利用SOI基板進行鍺吸收臨界耦合光偵測器的實作，並採取背面進光的設計，分析討論並傳統的矽、鍺光偵測器進行比較，目標是得到高頻率響應、高頻寬的光偵測器。
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