學位論文
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Item 32×32光學能隙型波長交換器之研究(2004) 蔡君偉; Chun-Wei Tsai本文提出利用絕緣層上矽晶並結合一維光學能隙共振型濾波器及二維光學能隙大角度轉折波導所組成之32×32光學能隙型波長交換器。在一維光學能隙共振型濾波器，我們利用一維光子晶體週期性結構及λ/4的相位移技術設計出高傳送功率、低插入損失及高品質因素的共振型濾波器。在二維光學能隙大角度轉折波導，我們利用二維光子晶體週期性結構及線狀缺陷的技術並針對不同的能隙結構來控制光在波導中行進的路徑，以便達到縮小積體光學元件之體積。 在32×32光學能隙型波長交換器，我們著重提出一有效的路由自動交換方式並結合光學能隙晶格及多模干涉區所組成之光學能隙型波長交換器，我們在多模干涉區上側摻雜如同光學能隙晶格型之週期排列的硼和磷離子，再利用電壓調變多模干涉區中光學能隙晶格型之雜質的濃度變化，利用雜質的變化來改變折射率，藉此從波導中取出特定信號，以達到可控制特定波長信號的路由路徑。接著，我們將此可調式32×32光學能隙型波長交換器應用於高密度分波多工的傳輸網路系統中，如此可達到充分利用有限的波長資源的目的。Item A Study on Integrated Dual-Mode Holographic Tomography and Adaptive Wavefront Correction Technique for Free- Floating Single Live Cell Label-Free Imaging(2019) B. Vinoth; BALASUBRAMANI VINOTHnoneItem MgB2超導薄膜研製與微橋製作(2005) 徐泓璋摘要 為了研製MgB2的微橋，利用磁控濺鍍及在自行設計的不銹鋼盒內作高溫退火，在Al2O3的基座上生成MgB2薄膜。目前所製得的最佳MgB2薄膜其超導臨界溫度（Tc）約為24 K，ΔT約為2 K，表面平坦度為8 nm。該等薄膜看起來有約500 nm結晶顆粒，但不具六角形晶粒。從X光繞射分析譜與硼的K-edge近緣X光吸收光譜確認目前的樣品為MgB2薄膜。 利用紫外光微影蝕刻（UV-light lithography）製程製作線寬為3 μm與4 μm的MgB2微橋，由測量電阻率隨溫度變化曲線可見臨界溫度下降約3 K及ΔT變大至約5 K。 使用電子束微影蝕刻（E-Beam lithography）製程製作出線寬為0.5 μm、10 μm與20 μm的MgB2微橋，同樣的也使用賓州大學製作的MgB2薄膜（Tc為41 K，ΔT～ 0.2 K），作出10 μm與20 μm的MgB2微橋。兩相比較，發現我們製作的薄膜，其Tc的下降及ΔT的變大均比賓州大學製作的來的差，可見得結晶顆粒的大小及樣品內雜質的多寡對蝕刻後的樣品品質有影響。就10 μm微橋的臨界電流密度（Jc）來作比較，發現我們樣品的Jc比賓州大學樣品的Jc來的差。Item PQ/PMMA材料的備製與其暗反應特性之研究(2011) 陳韋成; Wei-Cheng Chen本論文主要研究方向在探討PQ/PMMA材料製程，以及其光學特性量測。首先我們將介紹PQ/PMMA材料的製作流程，並製作出不同厚度的材料，接著架設兩道光干涉系統來記錄光柵於此材料中，並量測此材料的繞射效率與曝光能量之關係。此外，我們亦針對不同曝光能量與速率探討繞射效率的暗反應特性。Item SQUID磁量計串接式特性之研究(2008) 龎楷翃在本實驗中，我們在10 mm x 10 mm x 1 mm的碳酸鍶雙晶體(晶界夾角24°)上鍍製高溫超導薄膜(YBa2Cu3O7-δ)，並用來製作直接耦合式磁量計，並對其進行分析及研究。 我們總共設計9個SQUID在圖形中，其目的是要增加研製時的成功良率，避免因為單一個SQUID的Josephson 接面失敗，而造成整個樣品的失敗。另外此設計可以單獨一個操作，或可將兩個SQUID串聯起來工作，如此可以使得Vpp有疊加的作用，其優點是會使SQUID的靈敏度提高。其中有3種不同線寬，分別為2μm、3μm及4μm。 最後我們製作出來的磁量計單顆SQUID的Vpp為8μV到20μV之間。而雜訊部份，在頻率為1Hz時，都有數pT/cmHz1/2以上；而在白雜訊區段，則都在100fT/cmHz1/2以上。Item Sub-100nm及更先進製程之退火負載效應(2008) 徐睿翔; Ruei-Siang Syu最近十五年以來，快速熱退火製程時的圖案效應已經廣泛的被研究，可是這僅僅只能達到現在的元件生產要求，這類的RTA負載效應的研究與評估對於未來更先進的製程都是有相當難度的。隨著元件尺寸縮小，我們需要選擇新的退火技術來符合下個世代的工業科技。先進的退火技術，例如 Flash Lamp 退火（FLA）與雷射退火 (Laser) 將提供改善摻雜濃度的活化程度並減少雜質擴散(Transient Enhance Diffusion, TED)以達到超淺接面需求，針對源極,汲極與閘極區域部分，更勝於尖峰快速熱退火（spike RTA）技術。此時間小於千分之一秒的退火技術，通常寄予希望的，來藉此符合先進的CMOS製程技術。短時間的區隔尖峰快速熱退火和時間小於千分之一秒的退火技術在溫度上升時，在表面及局部的溫度分部將有明顯的影響藉著局部的設計圖形，這將可以歸因於矽的本質熱傳導係數和較短的側面熱的擴散長度。除此之外，我們將模擬在有圖型負載效應下的元件電性。 於是我們得到一個最佳化的情況就是在Laser 與FLA 的退火條件下，poly space 的間隔為0.22微米時為最佳化條件。而且此退火之負載效應在對於NMOS元件更勝於PMOS元件。Item TN-LC之光學特性參數量測(2009) 劉孟翰本論文提出利用光學外差式干涉儀的方法，透過瓊斯矩陣法的理論推導與數值擬合程式計算，提出結合兩種TN-LC之數學模型，可一次算得單元間隙 (cell gap，d)、預傾角 (pretilt angle，θ)、扭轉角 (twist angle，Φ)、配向角(rubbing angle，α)以及非扭轉相位延遲 (untwisted phase retardation，Γ)等，共五個液晶的光學特性參數。同時，我們在實驗訊號解調方面，提出了利用差動式對數解調電路的方式，取代一般使用數位電錶(DVM)的後端處理，並驗證了此方法具有快速擷取訊號的潛力，以及降低雜訊提高訊噪比的優點。Item Wide-field Digital Holography for Ophthalmic Lens Metrology and Its Application in Ocular Vision Correction(2020) Pragati Shukla; Pragati ShuklanoneItem ZnO-SiO2一維光子晶體共振器之之製作與特性研究(2006) 楊璧華本實驗以射頻磁控濺鍍法(Radio Frequency magnetron sputtering)在玻璃基板上交錯濺鍍ZnO及SiO2薄膜形成一維光子晶體，藉由考慮ZnO及SiO2的折射率，設計適合的薄膜厚度及週期數使得該一維光子晶體在500 nm到600 nm產生所謂的光譜帶隙(Photonic band gap)。而且，由於ZnO及SiO2在可見光的透明度極高，若在光子晶體的中心處再加入一層ZnO，則可形成一個可見光的一維光子晶體共振器。 本實驗研究發現，ZnO的折射率在UV光的照射下，可隨UV光的照射強度產生規律的變化，且呈現可逆行為，即當UV光移除時，ZnO的折射率將恢復到未加UV光時的折射率(2.032)，此結果表示ZnO-SiO2一維光子晶體共振器，可利用外加UV光照射強度的不同，達到共振波長可調性之目的。 另外，我們製作ITO-SiO2一維光子晶體共振器，在中心處加入不同厚度的ZnO缺陷層，觀察其穿透頻譜，發現增加ZnO缺陷層的厚度，光子晶體共振器的共振波長有往長波段偏移的現象。Item ZnO薄膜之電性與光學係數受外加紫外光之調制特性研究(2007) 陳顗彭; Chen,Yi-Pong摘要 氧化鋅（zinc oxide，ZnO）其光學能帶（Optical energy band）寬度約為3.37eV，其正好位於紫外光波長範圍內，若利用紫外光照射氧化鋅薄膜將造成價電帶電子吸收紫外光能量後躍遷至導電帶，因而增加其導電性，但也因價帶電子變少後而造成介電係數（dielectriccoefficient）變小，且在移除紫外光照射後隨即回覆其原來狀態，我們利用此特性來探討氧化鋅薄膜在外加不同強度紫外光下其電性與光學特性的變化。 光學量測上首先利用共路徑外差式干涉儀（common path heterodyne interferometer）來量測氧化鋅薄膜的折射率與介電係數，其中共路徑技術用於抑制相位飄移，以使干涉儀穩定，而外差干涉技術則是利用聲光調變器（acoustic optical modulator，AOM）將訊號載在特殊頻率上，透過鎖相放大器（lock-in amplify）針對此特殊頻率進行解析，以排除環境雜訊，使得共路徑外差干涉儀成文一套高穩定高準確性的量測系統。 在電性量測上，由於未掺雜的純氧化鋅薄膜電阻率很高，不易直接量測，因此制備成ZnO-base薄膜電晶體，形成透過閘極電極降低薄膜電阻，來簡化量測所需，以探討氧化鋅薄膜受紫外光影響的導電特性，其結果與光學量測系統所測得折射率與介電係數的結果驗證。Item Z掃描系統量測大面積異質結構二維材料之非線性光學特性(2023) 黃瀚民; Huang, Han-Min本研究利用Z掃描系統研究石墨烯轉印到氧化銦錫薄膜上的異質結構飽和吸收體(saturable absorber)之非線性光學效應，過去已有諸多文獻表明，飽和吸收體對於超快脈衝雷射的鎖模與脈衝塑形皆有很大的幫助，但也對飽和吸收器樣品表面的品質有極高的要求，所以我們將單點的Z掃描量測系統改良，透過電控元件將Z掃描系統架設成可自動量測大面積二維材料或薄膜的自動Z掃描系統。實驗使用飛秒級超快脈衝雷射、波長為800 nm的Ti-sapphire雷射入射至氧化銦錫薄膜及轉印上單層石墨烯的飽和吸收體，並透過固定式的衰減片改變雷射脈衝的能量來進行實驗，觀察樣品在不同光強度下的光學非線性效應。由實驗結果分析上述樣品的飽和強度(I_s)、雙光子吸收(β)與非線性折射率(n_2)等非線性參數值，尖鋒功率在1到26 GW/cm2的光強度下輸入至樣品，氧化銦錫薄膜的飽和強度的範圍在3到60 GW/cm2，在轉印上單層石墨烯後減少至0.3到7 GW/cm2，相較於氧化銦錫薄膜的飽和強度小了約一個級距，並發現雙光子吸收的影響極小，範圍約在10-14 cm/W左右。因此，達到飽和吸收大部份是由單光子吸收主導，而非線性折射率會隨著入射能量的增強而逐漸減小，範圍在10-12 到10-14 cm2/W。確認單點的非線性效應後，我們對石墨烯/氧化銦錫進行二維的大面積抽測(4*4 mm)及每點間隔75 um的二維掃描實驗，在尖峰強度7.84 GW/cm2的光強度下，飽和強度約落在1.2到50 GW/cm2，之所以會比單點量測的飽和強度大，是因為石墨烯在轉印過程中出現的破損或皺褶所導致的，非線性折射率在10-13 到10-14 cm2/W，與單點量測的係數在相同範圍內，顯示出樣品的均勻度對折射率的影響較小，藉由此方法能夠精確的定位掃描的範圍，有助於大面積且系統性地研究其光學特性。Item 一維三元金屬介電質光子晶體溫度效應之研究(2010) 莊翼宇; Yi-Yu Chuang光子晶體是兩個或兩個以上不同折射率的物質光學週期性層所組成，光子晶體的基本特性是存在著一些禁帶，在禁帶中電磁波是被禁止傳遞在整個結構。這個禁帶叫做光子能隙。 在此篇論文中，我們首先討論光子能隙的拓寬在三元金屬介電質光子晶體，可以得知光子晶體明顯的增寬是因為金屬層的存在。 在第二部分我們探討溫度對光子能隙所造成的效應，考慮熱膨脹造成厚度變化，不同溫度會使結構厚度變化，因此造成能隙邊緣將會偏移， 監控能帶邊緣偏移的行為將會觀察到溫度造成的影響。在使用光子晶體設計溫度相依的感測器上溫度效應的研究提供一些有用的資訊。 理論上分析在第二章會提到使用TMM法，第一章是在簡短介紹光子晶體，主要的主題被安插在第三章跟第四章，第五章是結論。Item 一維三元金屬介電質光子晶體頻帶增寬之研究(2010) 鍾耀賢; Yao-Hsien Chung光子晶體是由兩個或是多個不同折射率物質的人造週期性介質堆疊，光子晶體存在著光子能隙，光子能隙廣泛應用在光子晶體元件上，在這篇論文我們首先探討一維三元光子晶體能隙增寬，其中每一個週期是由兩個介電質夾著金屬層的三元結構，我們將要討論兩個主題，首先探討增加金屬層會強烈地擴大光子晶體能隙，相較於沒有添加金屬層的光子晶體(介電質-介電質-光子晶體) 接著我們探討有效電漿頻率在三元結構中，我們發現有效電漿頻率隨著金屬層厚度的增大而增加，以上所有的分析是依據Abeles theory,這是個在處理多層介質系統中簡練確切的方法。Item 一維介電質-金屬光子晶體方向感測濾波性質之研究(2014) 梁翰勛; Liang Han Shun光子晶體(PCs)是由不同折射率的介質，按照週期性排列而成的結構且具有空間週期性特性的光學介質，它的固有特性是存在著一些光子能隙(PBGs) 或稱「光子頻率禁帶」，當頻率落在禁帶中的光或電磁波是無法在光子晶體結構中傳播的。本論文目的是在設計含有缺陷模態之介電質-金屬光子晶體濾波器並研究及分析其特性。在此篇論文中，共研究了兩個主題，藉由轉移矩陣法（TMM）模擬計算吸收率及透射率對應波長之關係圖。 第一個主題是研究一維介電質-金屬光子晶體，在缺陷模態中對於電磁波的影響。利用介電質-金屬材料的堆疊，中間夾帶缺陷層的三明治結構所產生單向不可逆的特性，我們研究堆疊週期數的改變及入射方向改變時對波長吸收所造成的影響。另外，我們也分析了在TE和TM不同模態下改變入射角度時的現象。 第二個主題是利用介電質-金屬材料的堆疊來提升入射波的透射。我們通過在結構的頂端和底部添加抗反射層的處理，使得透射率更為提升。另外，我們也分析了在TE和TM不同模態下改變入射角度時的現象。Item 一維光子晶體光電特性之研究(2009) 朱柏翰Abstract Photonic crystals (PCs) are periodic structures made of materials with different refractive indices. With their interesting and amazing electromagnetic properties, research on PCs continues to be a hot issue in photonics in recent years. The main feature of PCs is that they can prohibit the propagation of electromagnetic waves within a certain frequency range called photonic band gap (PBG). The materials containing PBG have many potential applications in optoelectronics and optical communication. For instance, a dielectric layered structure can be used to design as a Fabry-Perot interferometer, dielectric reflectors, and antireflection coating. In this thesis, we study the electromagnetic and optical properties of PCs by using the transfer matrix method (TMM).The thesis consists of six chapters. The first chapter is to give a brief review of PCs. The second describes the theoretical background that will be used in our calculation. Some topics under study are given in chapter 3, 4, 5. The conclusion is summarized in chapter 6. In our considered topics, we first give a theoretical analysis of optical reflection for a dielectric chirped distributed Bragg reflector (DBR). The chirped DBR is modeled by several sub-DBRs stacked successively with different values in the thickness ratio. We demonstrate how a chirped structure can affect the photonic bandgaps (PBGs). In the second one, we shall design a multilayer Fabry-Perot resonator (FPR) which is formed by taking the left-handed material (LHM) as the structure defect in a one-dimensional PC. We find some useful design rules for a FPR made by the quarter-wave stacks. In the third topic, we theoretically studied the omnidirectional total reflection frequency range of a multilayered dielectric heterostructures.Item 一維光子晶體缺陷層的單向吸收分析(2020) 黃志喜; Huang, Chih-hsi理論上研究了在一維缺陷超導光子晶體材料裡高頻光波出現單向傳播性質。我們考慮用一種非對稱性的光子晶體其結構為(AB)ND(BA)M排列堆疊而成，其中A層材料為具有介電質的材料，B層材料為超導材料，D層為具有電介質材質的缺陷層，然而N、M為堆疊的數目。在本次研究中發現堆疊層數目不同時 (N ≠ M)該光子晶體結構會造成高頻光波出現單向性傳播性，單向傳播共振吸收頻率位置會隨著堆疊層數目(N和M)之間差距越大而增加。其中我們還研究了入射光波偏振角與單向傳播之間的關係，從此次的研究結果發現，當在改變入射光波的偏振方向的狀況下，單向傳播的吸收率幾乎與偏振方向是沒有直接關係地，因此我們提出的這個光子晶體結構技術可以用於設計出與入射光偏振無關的光學元件。 接下來我們還有從理論計算方式下，研究了一維具有缺陷且不對稱堆疊光子晶體結構上光波傳遞的性質，這次的光子晶體結構為 air /(AB)MG(BA)N/air，air/(AQ)MG(QA)N /air和air/(BQ)MG(QB)N/air，其光子晶體堆疊結構中的A層材料是用具有損耗的負介電係數材料，B層則是用了具有損耗地mu-negative material材料，而G層和Q層是用不同折射率的介電材料，另外該光子晶體的堆疊層數目M和N是不同的(M≠N)。此次的研究中我們注意到了在某些條件下其入射光譜會被吸收，導致傳遞光波的光子晶體有單向傳播特性。還有在這個負折射係數材料中，依造我們的計算結果顯示了有兩種單向吸收峰值，一種是會因缺陷層(G)厚度的改變而導致其鋒值頻率位置也隨著變化，另一種吸收峰值就不會隨著缺陷層的厚度改變而波峰頻率位置有所變化，這種的波峰頻率位置是固定在某些頻率位置上，另外這種固定波譜頻率位置的波峰數目會與正向或者反向傳播有所不同，當正向傳播時其波峰數目會是（M-1）個，然而如果是逆向傳播時波峰數目會是N-1個。特別的是當正向傳播與逆向傳播時固定波譜位置這個波峰數目相同為M − N − 1時，該光子晶體的單向傳播特性將消失。 另外一個研究是從理論上研究了改用材料含有n-InSb半導體層且用stage 3 triadic-Cantor-setphotonic crystal（S3 TCS PC）來討論其傳輸特性，依著半導體(n-InSb)介電常數具有可以將光波共振頻率傳輸響分成三個區域，其三個區域分別為兩個傳輸共振頻率遠高於半導體(n-InSb)介電常數的諧振頻率和另一個低於其材料共振諧振頻率的區域，其中半導體的介電常數幾乎是正常數。在光波進入stage 3 triadic-Cantor-setphotonic crystal（S3 TCS PC）結構中，其結構會將光波分成兩組不同共振頻率區域透射波譜，其為缺陷缺陷模式Np模式和非缺陷模式的Np-1模式，，其中一組波譜可以用堆疊層周期數變化而改變其缺陷模式(Np)的波峰數目，另外還可以改變入射光波的角度也會造成TE波和TM波光譜頻率位置的改變，此外還可以調整每一層的厚度來控制非缺陷層模式（Np–1）頻率響應的位置。但是要注意當入射波譜頻率落在5.1~6.2 THz大小區域時Np模式波峰強度對會損耗很大。Item 一維光子晶體缺陷模態分析(2010) 王政輝; Z.-H. Wang在此篇論文中，涵蓋了三個主題。第一是研究缺陷模態垂直入射到對稱和反對稱多層窄頻濾波器的簡單例子。藉由轉換矩陣的方式來計算出波長和透射率關係圖。在反對稱濾波器，只有一個缺陷模態存在光子能隙中缺陷模態的位置隨著設計波長而改變。在對稱結構的濾波器，發現到會有兩個缺陷模態。使用Bloch waveapproximation 方法，這兩個缺陷模態分別是缺陷層在對稱和反對稱結構中場的解答。第二主題是延伸第一主題的相同結構但改變入射傾斜角。藉由對TE 和TM 波計算波長和透射率關係做缺陷模態的研究。缺陷模態和入射角的關係也被圖解之。此外,也觀察到缺陷層的厚度也會影響缺陷模態的數目。第三部份是研究在一維超導光子晶體中角度,厚度和光子能帶結構的關係。這是研究permittivity 為0 超導材料的臨界頻率。能帶結構可視為由兩個超導和介電材料所組成的厚度解析方程。在角度和能帶關係中，在TM 偏振，會存在一個強大局部疊置能帶近似於臨界頻率。當角度增加所顯示出的能帶也會增強。Item 一維半導體光子晶體光學性質之研究(2011) 謝亞璋; Ya-Chang HsiehPhotonic crystals (PCs), artificial periodic structures, have attracted much attention over the past two decades. Conventional dielectric-dielectric PCs have been greatly studied in the literature. In this thesis, we have studied the optical properties in semiconductor-dielectric photonic crystals (SDPCs). There are three topics. The first one is to study the near-infrared photonic band structure in a doped SDPC. By varying the doping concentration in n-Si, tunable properties in such a PC have been investigated in detail. The effect of filling factor on the PBG is also reported. The second part is to study the absorption issue in an SDPC. With the difference in the refractive indices in the constituent layers and the existence of imaginary part of the index, enhancement in the absorption in the band edges is clearly shown. This enhancement is an requirement in the LED application. The third part is to study the thermally tunable photonic band structure and omnidirectional band gap. We use the intrinsic semiconductor InSb as one of the constituent in our binary PC. With the strongly temperature-dependent permittivity of InSb, the tunability in the photonic band structure and the omnidirectional gap is numerically investigated.Item 一維半導體及介電質光子晶體若干問題之研究(2011) 林煥淳; Huan-Chuen LINIn the past two decades, a fluid of research on the photonic crystals (PCs) has been triggered. PCs are artificially periodic structures and they possess come photonic band gaps (PBGs) where electromagnetic waves cannot propagate when the frequencies of waves are falling the PBGs. The study of basic structure of PBG can provide much important information that could be useful in the applications of PCs. In this thesis, we have studied three topics on the PBGs of specific PCs. The first one is to study the photonic band structure in a semiconductor-organic PC operating at UV frequency. The UV PBG structure has been investigated as a function of the loss, angle of incidence in TE and TM polarizations. The PBG can be enhanced by a ternary PC where metallic layer is sandwiched by the semiconductor and organic layers. The second part is to study the resonant tunneling under the condition where the evanescent waves are present. This tunneling phenomenon is seen a dielectric-dielectric PC. The results show that such a PC can be used to design a multichanneled filter, which could be of technical use in the optical electronics. The third part is to study the omnidirectional properties in a semiconductor-dielectric PC containing the thermally sensitive semiconductor InSb. Since the permittivity of InSb is a strong function of temperature, tunable photonic band structure will be investigated in this work.Item 一維及二維光子晶體光學性質之計算(2009) 劉正禮本篇論文主要是採用數值模擬的方法，研究一維及二維光子晶體的光學特性及應用。對於一維結構的光子晶體，我們透過轉移矩陣法來計算由超導層、介電層相互交替排列的週期組成，並求得其透射及反射的光學頻譜。利用模擬的結果，我們分析不同的相對週期厚度及入射角度對能帶分佈的影響，進一步歸納出各個變量在整體的結構中，所可能扮演的角色及造成的效應。在處理二維組成的光子晶體時，我們利用平面波展開法探求其能帶結構；並應用時域有限差分法，以光學模擬上常被使用的FDTD套裝軟體，進一步透析其電場、磁場、及能量在光子晶體中的傳播方式，以及各個分量在行進中隨時間和空間的變化。最後，我們將探討光通訊系統中，由光子晶體組成的小尺寸光學元件，例如:二維光子晶體波導、耦合共振光學波導、以及指向耦合器，其特有的電磁特性與相關的光學應用。