清華大學光電工程研究所學位論文
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我們實驗室致力於發展極紫外光光源以及後端應用，為了得到更亮的EUV光源，我們開始自己發展高能量短脈衝的雷射，這套系統主要分為雙晶體再生雷射放大器與脈衝延展壓縮器，再生雷射放大器將能量奈焦耳的脈衝藉由多次在共振腔內行走汲取增益放大能量至毫焦耳，並且利用晶體a、b軸有著不同增益峰值在不同的波長將脈衝的頻寬拉寬去得到更短的轉換極限脈衝(transform-limited pulse)。 此套系統的核心為雙晶體再生放大器，是一個利用勃克爾盒配合電子訊號改變光偏振的方式將種子雷射鎖在共振腔裡放大至飽和才放出，並且利用晶體兩個軸對於不同偏振的光有不同的增益頻譜。此外還會配合一套脈衝延展壓縮器，利用光柵分光的特性和光路的設計，讓不同波長的光在時域上分開，去避免放大過程中脈衝尖峰功率過高破壞共振腔的元件。 最後，成功將1.46 nJ的脈衝放大至1.1 mJ，總增益約為106，脈衝頻寬為13 nm，而壓縮完的脈衝時寬為222 fs。
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在本文中，利用巴比涅原理(Babinet’s principle)及八木天線(Yagi-Uda antenna)為基礎，在金膜上以簡單的奈米狹縫結構和入射光的偏振態來決定表面 電漿波之傳遞方向。設計出在不同波長下都擁有強指向性之奈米天線，且加以 進行幾何排列，得出擁有最佳消光比之幾何排列。另外模擬因為 FIB 製程上有 可能造成的結構缺陷，如狹縫寬度、梯形結構等對消光比的影響，同時也計算 單對奈米狹縫組合適用頻段，並嘗試以實驗佐證模擬之結果。
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本論文重點研究了基於光纖干涉儀的入侵檢測系統的設計與應用。我們透過各個防區的環形共振腔來產生干涉所需之雷射光。防區系統共有四個防禦區域，並且四個防區會各別產生不同波長的訊號光。訊號光會被傳回四個對應的光電探測器以進行後續的訊號處理。 我們的系統僅僅使用四芯光纜中的一條單模光纖來檢測區域的入侵。光纜分為四個部分，每個部分用於檢測周邊區域入侵所引起的干擾。在這項研究中，使用單條光纖將四個不同波長的光學干涉儀給串接起來，用於感測四個區域。這些感測區是獨立運行的，透過分析各個光電探測器接收到訊號光，可以確定各個防區是否遭受入侵。四個防區的訊號光使用分波多工技術分別分開，再經由光電探測器檢測。接收到的訊號通過數據採集卡（DAQ）透過電腦來進行數據的採集和處理。並且我們會使用三個演算法來計算出它們各自的閾值進行比較。只有當所有參數都超過它們各自的閾值時才判定入侵。 本次研究所設計的多區域入侵檢測系統的主要優點在於它僅需使用一條單模光纖即可同時用於感測器和光訊號傳輸。與之前所設計的研究相比，我們的系統不僅為多區域入侵檢測提供了一種更簡單且具有成本效益的方法，而且還更加節省能量的損耗。
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本實驗室致力於改善太陽能電池的鈍化層，近年來太陽能電池又隨著種種議題回到眾人的討論，而在這之中，如何以最低成本製作高效的太陽能電池是一件非常值得探討的議題，而本實驗為製作PERC太陽能電池。我們會以溶液塗佈與臭氧的方式形成鈍化層。使用濕式製程製作來降低成本，並利用臭氧氧化能力極強的特性形成較為緻密的鈍化層。 首先，我們使用P型矽基板來製作。我們將會探討氯化鋁與矽酸根溶液塗佈在基板背面形成三氧化二鋁作為鈍化層，在塗佈溶液後，我們會使用臭氧氧化，此後進行退火。我們會找出此溶液最佳的濃度、退火溫度與退火時間。在後續進行完退火後，為了觀察氧化鋁薄膜的特性，使用EDS、TEM量測來看成分的組成以及結構。我們使用最佳的參數為，氯化鋁比水的體積百分濃度100ml:0.5ml，矽酸根的體積百分濃度100ml:1ml，並將0.5ml的矽酸根加入50ml的氯化鋁溶液中，氧化時間20分鐘，退火時間15分鐘，退火溫度為500℃。得出的PERC太陽能電池，其最佳填充因子為75.6%、轉換效率為16.917%，比全面鋁的太陽能電池相比提升了0.522%。
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光載毫米波天線是未來5G室內毫米波無線通信的關鍵技術。在這個研究項目中，我們利用矽光子積體電路開發一種波長複用(wavelength reuse)的技術，以簡化光載毫米波系統中上行光信號調變所需的光源。該技術藉由使用可調式雙邊帶抑制器(Tunable Double Sideband Suppressor)，將部份下行傳輸信號中使用的光載波濾出，並將此光載波重新用於上行光信號傳輸。可調式雙邊帶抑制器是以雙環馬赫曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)組成，透過法諾共振(Fano resonance)在頻譜上具較陡直的頻譜響應達成局部窄頻寬的帶通濾波器。我們證明了 29 GHz 毫米波傳輸的抑制比超過 33 dB。
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近年來，超短脈衝以及超寬頻譜的應用越來越被受重視，例如具有時間解析能力的光譜分析技術。想要產生超短脈衝，首先要能產生足夠寬頻的頻譜，並對其相位進行補償後得到，故也衍生出許多種類的展頻技術，但不同的展頻技術還是有其優缺點。以多重固態薄片展頻技術(multiple-plate continuum, MPC) 來說，雖然可以產生脈衝寬度約3.3飛秒的脈衝，但最後的展頻結果會有較嚴重的頻譜不對稱性。多通腔體(multi-pass cell, MPcell) 則是藉由多次累積較弱的非線性效應，其展頻後的頻譜幾乎呈現對稱，而且在空間上均勻分布，且可承受高瓦數輸入。缺點是，使用於多通腔體中的聚焦面鏡限制了多通腔體展頻的最小脈衝寬度。 本篇文章參考了MPCell的展頻概念，並對原始的MPC進行改進，取名為重複路徑多重薄片展頻技術 (double-pass multiple-plate continuum, DPMPC)。我們使用的輸入脈衝寬度是190 fs、脈衝能量為187 μJ、重複率100 KHz，在經過DPMPC展頻壓縮後，最後可以得到20 fs、141 μJ 的脈衝。相比原本的MPC，在頻譜的對稱性上可以有明顯的改善，也可以維持良好的光束品質，並且保有原本單次MPC 在光學系統調整上的方便性。我們也嘗試了在使用一級的DPMPC 進行展頻後，額外另用第二級的傳統MPC 進行展頻，相比原本第一級使用傳統MPC，可以看到明顯的進步。除了可見光波段強度提升5~10 dB外，在轉換極限脈衝上的邊峰強度也得以從38%降低至23%。
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近年來，在通信中使用可見光和近紅外波長的集成光子器件的需求已大大增加。光電探測器是系統中的關鍵設備，引起了廣泛的關注。增強其性能的所有方法之一是將低損耗Si3N4波導與Si檢測器集成在一起，從而顯著提高了響應特性。在這項研究中，我們專注於在絕緣體上矽（SOI）平台上工作於980 nm波長的Si p-i-n探測器結合Si3N4波導的開發。該設備由軟件設計和仿真，最終由TSRI製造。我們指出在15 V反向偏置下該器件的實測器件響應度為0.27 A.W ^（-1）。實驗結果總結並表明了本徵區和探測器長度的變化對光電流和響應度的影響。本文還對一些捏造的問題和解釋進行了說明
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