中央大學光電科學研究所學位論文
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體積小高功率的半導體雷射泵浦固態雷射在雷射測距、顯示科技、遠端感應、光儲存、生醫以及海底通訊等方面有許多令人感興趣的應用。而Q調制雷射技術提供一種能重複地生產高能鐳射脈搏的有效方法並且能大大提升雷射的峰值功率，因此對能產生輸出功率大於瓦特等級的微型化固態雷射而言，Q調制雷射已經變成一種重要技術。 另外藉由整合雷射共振腔內元件除了可以減少共振腔對雷射的損耗以及簡化雷射光路的校準，也同時可以達到縮減雷射系統體積的優點。在傳統的雷射系統中，雷射增益物質與其他共振腔內元件(例如Q開關、偏振片、非線性晶體等)是獨立分開的，也因此內建式Q調制雷射與內建式二倍頻雷射在追求系統微小化的過程中提供其他更好的選擇。在本篇論文中，我們率先嘗試在Nd:MgO:LiNbO3晶體上整合一塊週期性極化反轉鈮酸鋰晶體(PPLN)來作為電光(EO)式Q開關並加以完成輻射波長為1.085µm的小型半導體雷射泵浦固態雷射。我們成功製作一個Nd:MgO:PPLN並同時整合雷射增益與Q調製的功能。我們的論文中顯示了半導體雷射泵浦內建式Q調制Nd:MgO:PPLN雷射的功能與光學特型藉由一塊長度為12mm、週期為13.6µm的Nd:MgO:PPLN晶體來作為雷射Q開關。當我們對Nd:MgO:PPLN晶體以5kHz的頻率以及施加260V的電壓以及吸收功率為0.61W時來做Q調制時，我們測量到雷射平均功率為7.6mW以及脈衝寬度約30ns，經計算後得知脈衝峰值功率為55W而脈衝能量為1.6µm。本文中已經完成Q調制雷射的製作，以此為基礎加以延伸，再配合PPLN來做波長轉換，相信可以成功的製作出內建式腔內波長轉換元件。
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光學濾波器對處理特定頻譜的光學訊號之系統是不可或缺的元件。窄頻濾波器對光學訊號處理及光通訊系統而言尤其需要。本研究目的是在電光週期性極化反轉鈮酸鋰(EO PPLN)波導上發展出超低工作電壓主動式窄頻光學濾波器。本實驗成功的在電光週期化反轉鈮酸鋰波導上做出應用在光通訊波段的高效率索爾克波長濾波及TE ?TM模態轉換器。本元件可擁有與大部份光通訊元件更高相容性的超低操作電壓(TTL level)，及簡單的電極結構。且符合國際電信聯盟(ITU)所規定的窄頻寬通條件。 在本研究中，成功地利用鈦熱擴散及電場極化反轉技術製作出低傳撥損耗的週期性極化反轉鈮酸鋰鈦波導。其傳撥損耗量測得到 。對1-cm長的元件而言，可得到頻寬為 ，且在操作電壓為 得到模態轉換或頻譜穿透率可高於 ，其電壓對應的值為1.1 V×d (μm)/L (cm)。另外溫度對頻譜範圍的調變率為 。在光通訊及光學訊號處理系統的運用上，可藉由電光週期性極化反轉鈮酸鋰鈦波導的窄頻寬通及寬光譜工作範圍的特性來發展強大且吸引人的主動式元件。
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本論文最主要目的是設計一波導模態共振濾波器（guided-mode resonance filter，GMR），使其具有下列三大特性：提升濾波器側帶（sideband）的穿透率（最大透射率 > 0.9）、加寬高穿透率的頻譜區域（具高透射率側帶範圍 ≥ 400 nm）、使共振線寬Δλ變窄（Δλ < 1 nm）。我們提出的結構由上往下分別為：SiNx光柵、SiNx波導、SiO2基板。我們先利用波導理論設計出波導的厚度及特徵模態，利用相位匹配求得相對應的光柵週期，接著引入等效介質理論（effective medium theory）提升側帶特性。也探討尺度因子（filling factor）與光柵深度兩結構參數對於波導模態共振濾波器弱調制（weak modulation）現象的影響。經考慮製程可行性，最後成功設計出TE（transverse electric）與TM（transverse magnetic）兩種偏振態下的波導模態共振濾波器：針對TE模態，共振波長在1550 nm、共振線寬為0.79 nm、側帶寬為668 nm、最大側帶穿透率可達0.9378；而針對TM模態，共振波長在1550 nm、共振線寬為0.77 nm、側帶寬為714.94 nm、最大側帶穿透率可達0.9362。最後，使用嚴格耦合波理論（rigorous coupled wave analysis，RCWA）模擬其頻譜側帶特性，並與等效介質理論所模擬之頻譜側帶特性做一驗證。並探討製程容忍度，光柵深度變異對於共振波長與共振線寬的影響，最後針對設計的兩波導模態共振濾波器其頻帶結構（band structure）做一學理上合理解釋。
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目前高功率LED在應用上難免會遇到熱的問題，熱效應不僅會影響LED的發光效率及其使用的壽命，還會改變其發射波長。且一般LED在小區域內擁有1W的熱量，對於一般傳導、強制空冷及熱電元件等方法的散熱片而言，熱量並沒有辦法有效的傳出，因此藉由熱管內流體的兩相轉換去達到熱擴散的效果，進而降低LED的junction temperature。但目前市售的圓柱狀熱管對於平面熱源會遇到接觸上的問題，而平板式熱管的優點就是可以降低與熱源的接觸熱阻，使得熱量得到良好的傳遞。且平面式熱管在內部工作流體的使用上，不僅可以增加內部流體的填充量，並應用多條流道增加流體回流量。 本實驗製作出輻射狀及平行流道兩種不同流道形式的熱管，去觀察其產生的熱擴散效果的差異性。熱源置中的輻射狀結構之平版式熱管，利用蒸汽流將熱量從中央擴散至兩側，達到熱擴散的效果。但是實際上熱管並沒有作動的效果，主要是熱管的溫度受控於面積較大的冷卻端溫度，使得熱管內部的工作流體無法到達沸騰的工作溫度。而平行流道的熱管，是由一端加熱汽化後將熱量帶至另一端進行冷卻，進而提升散熱面積。由實驗可知在冷熱端分開的狀況下，皆有沸騰的現象產生，而填充量30％時沸騰後所降低的熱阻值比填充量63％來的高，且較不受限於熱管的擺放角度。
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近年來，低溫多晶矽(LTPS)引起了很多人的關注。本研究旨在探討電子槍蒸鍍非晶矽膜層與射頻磁控濺鍍非晶矽膜層不同的膜質結構對鋁金屬誘發結晶矽製程的影響。首先在室溫下，利用熱電阻蒸鍍系統將鋁金屬蒸鍍到玻璃基板上，再利用電子槍蒸鍍系統或射頻濺鍍系統將非晶矽鍍到玻璃基板上，以形成glass/Al/a-Si的樣品結構，之後再使用高溫爐將樣品做熱退火處理，分別討論不同熱退火溫度與時間對矽薄膜結晶的影響。 實驗中發現，在相同的熱退火時間12小時下，電子槍蒸鍍非晶矽製程熱退火溫度(500℃以上)要比射頻磁控濺鍍非晶矽製程熱退火溫度(400℃以上)高，才會有較明顯的矽結晶現象，主要結晶晶向皆為(111)。而在相同的熱退火溫度550℃下，電子槍蒸鍍非晶矽製程熱退火時間(30分鐘以上)要比射頻磁控濺鍍非晶矽製程熱退火時間(10分鐘以上)長，才會有較明顯的矽結晶現象。
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本論文設計符合歐規汽車近光燈法規的白光LED汽車頭燈。首先，我們研究螢光粉的散射模型，用以模擬白光LED之光學模型。接著以白光LED為基礎設計符合歐規之近光燈。在該設計中，我們設計具有15°斜角的封裝結構，此外，藉由晶片的適當排列與成像透鏡的設計，我們討論能量輸出效率與étendue管理的設計。最後我們透過模擬來檢測該光形是否符合ECE法規要求。
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本論文的目的在研究以矽為基板之微柱狀透鏡來提高光學元件間之耦合效率(Coupling Efficiency)，利用在微型光學平台(Micro-Optical Bench，MOB)上，結合半導體製程技術可在矽基板上製作，精確將各元件定位，降低封裝上的誤差。本文所設計出之矽基微柱狀透鏡具有一個維度聚焦能力，將其應用在工作距離約100~200μm之雷射二極體-光纖耦合上。而且利用半導體製程，直接在矽基板上成長蝕刻出透鏡輪廓，具有微小化，低成本且高量產可能性等優點。模擬之光耦合效率在工作距離約100~200μm及不考慮反射損耗(Fresnel Loss)下，約20～40 %，並對元件的製作與系統之量測皆有提出完整的說明及討論。
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液晶顯示器的操作原理為施加電壓後改變液晶傾斜角度，進而改變對非尋常光的折射率。本論文的研究即是利用此折射率的改變來控制入射光的相位，使穿過液晶的平行光因每一個像素的相位不同而呈現出能展現立體影像的資訊。 因為各家出產的液晶顯示器不盡相同，所以每一片的液晶都有不同的參數(偏轉角度、快慢軸方位、傾斜角度)，一開始只能利用具有某些特別偏振方向、特別波長的入射光來一一求出每個不同的參數，之後再利用這些參數來完成灰階值對應相位變化的圖表，最後再利用這張圖表來設定不同的灰階來得到所需要的相位。 本研究所使用的液晶顯示器對相位的控制只能180度左右，因此我們利用均方根誤差來選取適當的相位顯示範圍。又因為液晶顯示器控制了光波相位之後，振幅只能為固定的定值，因此我們採取一維同心迴光板(zone plate)的方式來展式立體影像。在論文的後半部我們也在全像片上顯示區域的切割設計上做出討論，以拉近了成像區與顯示器間的距離。在製作出一組特定旋轉角度的物體影像之後，我們又繼續利用視覺暫留，以每秒三十張全像片的更新速率展示不同旋轉角度的物體影像來製作出動畫。
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傳統上EWOD元件容易發生水解或膜破的缺陷，其原因為過高的電壓操作或是不穩固的疏水層所造成，因此本文提出了三個解決方案：1.採用高介電質材料二氧化鈦或五氧化二鉭做為介電層，以降低操作電壓。2.採用新型疏水材料Cytop?，以得到更穩固的疏水層。3.利用交流電訊號做為驅動電壓來源，透過DEP介電泳效應及表面張力原理的雙重影響，使得液滴在更低的電壓條件下獲得更大的驅動力。透過結構的改進，得到更穩定的EWOD微液滴操控平台。 另一方面，本文利用虛擬儀控軟體LabVIEW設計人機介面，加上放大電路及操控電路的應用，成功地以全自動的方式來驅動EWOD元件上的滴液，並且透過全自動EWOD微液滴驅動系統做光學方面的應用，利用液滴的來回震盪，將雷射光束於水平軸上偏折至不同的方向，以達到光束掃描的效果。
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在本文中，我們利用蒙地卡羅光線追跡方法，建立LED光學萃取模型，分析LED晶片與封裝結構的改變對光萃取效率的影響。首先，我們針對微米級尺寸的LED進行分析。微米級LED擁有吸收小，出光面積大等優勢，此外，我們亦考慮了繞射效應對結構的光萃取效率之影響，圓環型LED之輝度比圓盤型LED提升約3~13%。再者，我們分析微陣列結構於晶片表面或界面的光萃取效率之影響，並針對其陣列結構進行優化，有織狀陣列結構且有環氧樹脂透鏡封裝的傳統打線式發光二極體可以達到最高的光萃取效率約76%。最後，我們也討論了陣列結構於不同封裝技術下，所造成的效應，以求達到擁有高效率的LED光源。