第115期 2016年1,2月刊
 
 
 
發行人:林恭如所長  編輯委員:吳肇欣教授  主編:林筱文  發行日期:2016.02.29
 
 

本所吳忠幟教授榮膺「SID Fellow」(SID: Society for Information Display;國際資訊顯示學會),特此恭賀!

本所林恭如教授與太克科技股份有限公司(Tektronix)合力打造光通訊聯合實驗室,特此恭賀!
 

 

 

 
 

~ 2015光電所歲末餐會  花絮報導  ~

(時間:104年12月28日;地點:臺灣大學電資學院明達館3F中庭廣場

花絮整理:所學會會長黃郁庭

眾人忙碌了一學期後,光電所所學會舉辦了期末餐會邀請大家一同享樂,現場除了有美味的食物還有精彩的表演,更有好玩的遊戲和刺激的抽獎!

圖一、美麗帥氣的主持人(彭峻威、王純蕙)

圖二、認真看表演的觀眾

首先請來的是木眼鏡樂團為我們的盛宴暖場,而後則是林恭如所長來為大家致詞,勉勵同學認真向上。然而光電所的同學們除了學術上有精彩的成就,更是各個身懷絕技臥虎藏龍,有人會自彈自唱,一首「流浪到淡水」讓眾人忍不住流下遊子辛酸的淚水,勾起綿延不絕的鄉愁;有人會變魔術,無中生有、變化多端,甚至穿過你軀體,窺視你的內心。無論是任何形式的表演,都深深地抓住了觀眾的目光,留下深刻的印象。

圖三、情歌對唱(古庭安、游學謙)

圖四、流浪到淡水的遊子(陳彥璋)

圖五、所長致詞

圖六、吉他彈奏(王鵬瑞)

圖七、有鴿子(劉昌錦)

圖八、讀出妳的心

至於遊戲方面,今年舉辦了「光電知識王」,考驗大家對光電所的了解程度,以及一些簡單的生活常識。無論台上的參賽者,抑或是台下的觀眾無不專注地思考題目,可以感受到同學們的腦前葉不斷蠢蠢欲動、擁有更加敏銳的思辨能力。餐點方面則請來多年合作的好夥伴:PAPAGO,來準備可口的餐點,每盤皆是見底沒有浪費,可見同學們十分捧場!

圖九、左二為知識王(黃國祐)

圖十、因活動內容而爆笑的同學們

抽獎部分則是提供數量可觀的Häagen-Dazs冰淇淋兌換券和華納威秀電影票,以及王品集團的餐券和3C產品,最大獎則是Ipad mini!而我們有幸邀請到吳育任教授和吳肇欣教授來為我們摸彩,讓環節更加精采!

圖十一、吳育任老師摸彩

圖十二、吳肇欣老師摸彩

這學期的光電所所學會辦的活動即將告一段落,很謝謝各位老師、各位所辦人員的幫忙,總是不斷給予我們援助與諮詢。而我還要衷心地感謝每一位辛苦的所學會成員,沒有你們辦不出如此精彩的活動,謝謝大家!
 

 
 
 
     
 

~ 與南京大學(Nanjing University)博士生交流活動 2015  系列報導 ~

【2015 第八屆海峽兩岸光電科技博士生論壇】

(時間:104年11月15日至11月20日;地點:南京大學

【之三】

撰文:光電所博士班學生梁瑋倫

在研討會中聽完南大學生的演講後,著實感受到大陸一流頂尖學校博士生的努力。演講過程中因為每位講者所涉足的領域皆有所差異,從聆聽的過程中,也讓彼此得以接觸到非本身所經常接觸的領域。而在各場次的精彩內容中,令我印象深刻的主題分享如下:

有講者分享了不同的主動元件(由電流方向獲得、或依靠電流方向能夠執行資料運算、處理的元件),像是OLED,這是由一薄而透明具半導體特性的ITO,與電源之正極相連,再加上另一個金屬陰極,包夾成如三明治之結構的元件。報告的過程中,講者探討了如何利用經濟實惠的合成方法來研發各種高效率的OLED材料。此外,演講中還提及被認為是現代歷史中偉大發明之一的電晶體,因電晶體於線性工作時,輸出的訊號與輸入的訊息成比例,而成了放大器,並讓收音機、計算器、電腦以及相關電子產品變得更小、更便宜。分享過程中,講者則是討論如何以TCAD模擬為基礎對量子井應用於發光電晶體之分析。另外,還有討論利用有機材料使用化學合成的方式調整其能隙的有機太陽能電池的主題,這可讓製作出的元件能涵蓋更廣的太陽光譜,且由於高吸光係數,所以有機層的厚度僅需幾百奈米,並可以利用疊層結構,去設計每層要用什麼材料去吸收特定波段的光譜,並藉此提升轉換效率。講者提到如何仿造蛾眼睛之奈米結構,來增強有機太陽能電池之光捕獲。

此外,還有其他領域的主題,像是藉由設計週期性材料而構成的超材料,因超材料內組成元素之幾何尺寸遠小於操作波長,來探測次波長以下的物質細節。超材料具有達成負折射率物質並實現超越繞射極限的完美透鏡,這是因電磁波可以反向傳播,而使得繞射極限下分辨成像成為可能。此外還能使光侷限在材料中,而達到光捕捉、使光子吸收機率提升,並提昇太陽能電池能量轉換效率之目標。講者提及磁偶極子,四極耦合引起的電磁感應透明 (EIT),這如同在立體超材料中的傳輸。

報告的學生還提到石墨烯,這是一種由碳原子所組成的六角型蜂巢晶格的平面薄膜。除此之外,還有表面電漿子,這是存在於穿越交介面時,會改變介電函數的實部正負號的物質之相干電子震盪現象。還有,寬深比在1000以上,通常被稱為一維材料的奈米線。分享過程中,則是研討對於石磨烯之特性研究,且討論利用自組裝膜分子調製摻雜石磨烯於場效電晶體中的議題。

我發現南大的師生們將重要的科技技術進行了深入的研究,又認真報告、呈現自我的研究成果給眾人研習。上述這些都是耳熟能詳的經典物理學名詞,雖然研究的內容要融入現實世界的運用可能還有一段距離,但卻能將理論進行有效的分析、討論,以便將物理層次研究得更加完備,提供給後進研究學者參考。演說過程中的流利表現,也需要事前充分的準備與排練,雖然僅僅只是上台短暫的十幾分鐘,但也是藉由長期用心的研究而換得的。

透過校園所提供的優質訓練,亦可使物理學家具備快速思考、有效分析判斷的能力,對上帝所創造的世界充滿好奇心,用心觀察、從中體會物理世界的精髓,甚至將其應用於現實生活、提升全人類的生活福祉。我們藉此機會不僅是探討研究本身,也體會到研究過程中的用心,並可彼此分享校園內的學習制度,讓學生們相互成長。

 

之四

撰文:光電所博士班學生張文彥

第八屆兩岸光電科技博士生論壇由南京大學主辦,於2015年11月15日在南京召開。為了能讓臺灣大學的老師及博士生對於南京大學的實驗生態及環境有更多的了解,第一天的重頭戲就安排了實驗室參訪。主要參訪的實驗室分別為介電體超晶格實驗室(祝世寧教授)、納光子實驗室(王振林教授)及矽基發光實驗室(吳興龍教授)。

介電超晶格實驗室研究方向有雷射、電漿子雷射、集成光學、超穎材料、量子光學。首先就由徐平教授為我們介紹幾個研究方向。介電體超晶格雷射,它可以在近紅外、中紅外甚至在太赫茲波段都可產生雷射。全固態激光泵浦的超晶格具有效率高、體積小、波長可調的優點。尤其在中紅外波段,是氣體、固體、半導體材料的特徵光譜區,應用非常廣泛。芯片上量子光源和信號處理,根據量子信息(包括量子計算、量子通信)亟待解決的關鍵科學與技術問題,研製高品質、高亮度的可控制量子光源和具有量子計算、量子模擬功能的光子芯片,為高階量子計算機、量子通訊網路提供強有力的理論儲備和技術支撐。

圖一、徐平教授專業講解

圖二、團員們認真聽講

納光子實驗室的研究方向為金屬微結構天線陣列、表面電漿微腔、表面電漿波導。陳卓教授為我們介紹介電層包覆金屬奈米粒子的光學特性。這種結構有許多優點,第一、電磁場被侷限在介電層中,其實是一種腔模,很少會受到外界環境的影響,可以應用在生物醫學上。第二、如果我們將介電層換成增益介質,可以獲得更高的增益,減少泵浦所需要的能量,將可應用在雷射上。第三、透過控制可以在某些波段下達到無背向散射的效果,應用在定向能量傳輸上。

圖三、陳卓教授專業講解

圖四、團員熱烈討論

矽基發光實驗室的研究方向有奈米半導體發光材料的微結構、聲子特性和發光機制的研究。吳興龍教授為我們介紹如何使用生長小片氧化鋅材料做成太赫茲雷射。利用聲子的特性,氧化鋅小球有很強的太赫茲發射,效率可達百分之三十三。

圖五、吳興龍教授專業講解

圖六、實驗室儀器設備

此次的參訪都由教授講解,讓大家有深入淺出的了解,比較可惜的是同學們比較沒有表現的機會,雖然如此,還是遇到幾張熟面孔,像是吳興龍教授的學生甘志星同學、祝世寧院士的學生李世鳳同學,他們都是前兩屆為我們介紹的對岸學生成員,如今都成為教師了。

臺灣大學的師生們對於實驗的設備和研究方法都產生極大的興趣及好奇,並與南京大學的學生們熱烈地互相交流。不過在實驗室的空間上,南京大學比我們具有優勢,實驗空間是我們的好幾倍大,令我方學生嘆為觀止。希望將來雙方能有更多學術上實質的互動,以增進兩岸光電科技研究的交流。

 

光電所參與歐盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 碩士雙學位計畫  系列報導 ~

【之三】

撰文:光電所碩士班學生許喬為

如果有在追蹤此專欄的同學們就會知道,我們上半年主要是在英國聖安德魯斯大學修課,我的學術研究部分則是在比利時布魯塞爾自由大學進行,因此本篇主要為我在比利時布魯塞爾自由大學研究方面的心得分享,若對於在英國聖安德魯斯大學研究生態有興趣的學弟妹們也可以與光電所取得我的聯絡方式找我詢問。

布魯塞爾自由大學位處比利時首都布魯塞爾,以比利時兩大主要語言分為荷語區的Vrije Universiteit Brussel (VUB)和法語區的Université Libre de Bruxelles (ULB)。就讀於荷語區的我受惠於荷語母語者普遍流利的英文,在研究期間與教授、同學及學長姐間並無太大的溝通障礙。

比利時以鑽石加工技術聞名於世,從世界各地進口鑽石原料到其著名的安特惠普港城(Antwerp),加工鑽石後再販售至世界各地,其工程實力不容小覷!我很榮幸獲得機會在比利時就讀光電工程學程,雖然在世界大學排名上(VUB碩士學程在QS 2016年172名、工程及醫學領域201名)並不特別出色,但在研究的過程中可以感受到整體上講求邏輯嚴謹、與業界密切結合及追求高效率的學術風氣。

在各光電領域方面,VUB的光電所主要研究光學、矽光子、光電子學、非線性光學等等的應用部分,對於奈米製程著墨較少。比利時也有很多著名的光電公司設廠,如Nikon、Canon、Cisco、IMEC,其他像是以製作光微影奈米製程機台著名的ASML則是設在離布魯塞爾1小時車程的荷蘭一個工業城市,這些公司在我們校內舉辦的就業博覽會都會前來徵才,釋放許多實習機會。

不過臺灣與比利時在光電領域相比之下,臺灣有更多著名的光電公司,擁有光電學程的大學非常多並且廣泛涵蓋光電領域各專業學科,大學內部某些實驗室甚至擁有自己的製程機台,這些其實都是在比利時不常看到的。出了國,才知道臺灣的美好啊!

與各國做文化交流,人人都是國民外交官

而比利時處於歐洲的交通樞紐、心臟地帶,讓來自各國的國際學生爭相前往比利時研究,實驗室內就像是一個小型聯合國,學校與學校間的聯合學程更是屢見不鮮,像是在我們所上的光電學程就有與比利時另一所著名的根特大學的聯合學程、歐洲國家內部的伊拉斯莫斯聯合學程等,光是與同學們交流各國不同的文化就有很大的收穫。

與來自歐洲內各個國家的學生們相處,可以感受到整體而言歐洲的研究思考模式是非常直覺、直線式的,從確定最終目標開始,到分成各種小目標,並定下各階段所需要的步驟、所需要的時間,尤其在遇到問題時,體現出西方的高效率,與東方式平行、迴圈式的思考模式十分不同。

紮實的學術研究訓練、超高效率的論文研究與享受生活的平衡

整體而言這裡的光電所學程主要是第一學年修七至八門課,第二學年約四門課程,普遍都是作業一籮筐、課程進度飛快的硬課,被當率根據我不專業不負責民調約24.78%(4人中就會有1人被當),因此第二年由於修課的緣故,做研究的整體時程大約只有半年。

而對於我們這些EMSP計畫生而言,研究大約是從一月開始直到六月底口試。研究題目是從第一學年末各實驗室教師發想的主題挑選,4.5個月看文獻做研究,最後1.5個月寫論文準備口試,通常論文是格式較為寬鬆的內文60至100頁不等。最後口試普遍採取類似研討會形式,委員6至8位,且可邀請校外人士參與,中間還會穿插一些學術演說。

實驗室機制主要也是博士生帶碩士生,在歐洲,博士生是有薪水、年終、勞保的一份正職工作,所以通常博士生都十分盡責,不會對碩士生不聞不問,有些較為嚴格,例如我所待的實驗室,會要求打卡上班,甚至在Google共編日曆標出全年有空的時段,以免指導教授找不到人。

最後大部分的學生在繁重的修課壓力及無敵緊湊的論文時程下還是都順利畢業了,不得不說沒來這裡之前,我無法想像用半年時間就可以完成從文獻閱讀到論文口試結束的一連串流程,而且大部分的歐洲學生都還邊過著你無法想像的瘋狂社交、旅遊生活呢!

不過值得一提的是在碩士班就讀期間將研究成果投稿國際期刊並不常見,就我所知,這現象不僅出現在比利時,甚至歐洲其他地方也是如此,與臺灣和美國追求發表期刊的風氣大不相同,隱約看得出臺、美碩士班學生普遍相較比利時有較大的企圖心。

東方教育 vs. 西方教育

而在西方社會價值觀崇尚自我、重視邏輯之下,在這裡,學生普遍都需要自動自發,尤其講究與指導者、教授的溝通。遇到問題時,東方的教育教導如何自己解決問題,西方的教育教導如何找對的人解決問題,崇尚東方教育「蠻幹精神」的我也因此了解到「不用怕麻煩人」及「良性溝通」的重要性。

論文:Design Of An Optical Non-Imaging System For An Improved Light Collection In The Current State-Of-The-Art Sorting Machines

最後跟大家分享一下我在這裡研究半年的成果。我是處於比利時兩大著名實驗室的其中之一:Brussels Photonic Group (B Phot),研究主題是在一食品全自動製造設備上的檢測系統設計一個非成像光學系統;此檢測系統是以雷射激發食物內毒素的螢光進行檢測,以判別光譜的方式辨別有無毒素的產生進而達到食物品質的控管。在近五個月的時間我不斷發想新的光學設計、優化、改良系統、再優化…,前前後後共設計出八種不同系統並做優化及光收集效率的模擬,最後在模擬上驗證效率可提升20倍。

這半年的經歷雖然讓我備受挑戰卻相當具有成就感,我在完成論文提交的當下,甚至高興地一個人半夜在房裡唱歌跳舞呢!強烈感受到脫離苦海的感覺,並且算是完成了人生的一個小夢想吧!也祝福各位有著出國留學夢者都能完成夢想,期許看到更多勇於追夢的臺灣勇者們順利完成!【精彩內容,下期待續~】

 

撰文:光電所碩士班學生程筠婷

出發到歐洲前,會收到由EMSP計畫秘書Bert發出、由各個學校各教授提供的研究主題,由我們各自排好五個志願序後等待通知,所以在我們前往歐洲前就會知道第二學期所在的學校、研究題目、指導教授和博士班學長等資訊。

當初選擇的時候,我主要是以國家、教授與題目為考量,因想藉著這難得的機會到不同國家走走,與頂尖者學習,最後選擇前往比利時根特大學,指導教授為Roel Baets和Dries Van Thourhout,論文題目為Study of silicon waveguide losses through scattering-induced spectral transmission fluctuations,主要在探討奈米級線寬矽波導下光與聲頻段的波之間的交互作用,因前幾年發現其交互作用產生大幅的聲波增益,未來可能發展為“聲雷射”,但目前損耗仍略大於增益,而損耗的來源尚不明確,所以當時我的研究主題以降低損耗為目標著手。

同時這個研究主題是延伸自帶我的博士班學長Raphael,整個實驗與論文撰寫過程主要都是跟他討論,而即時討論結果與下一步該怎麼做,對於短時間完成論文很有幫助。此外,每隔三到四週與兩位指導教授的討論也總是讓我們有新的想法,並適時地評估判斷階段性的結果與研究是否合理、是否該繼續或換個方向前進,每次會議結束也會確認這次的討論是有用的,且訂下下次會議的時間,讓我們有一個明確的時間與目標。

過程中有時候還是會一股腦兒地做實驗,但發現某個地方錯了要重來,或是其實不需要花那麼多時間蒐集類似的資料,不過總在事情發生了才會知道,也才能深刻地思考應對方法,所以在這種情形發生時我會讓自己完全停下,去跑個步,看看不相關的書,把研究暫時放一邊,然後開始審視最近幾個禮拜所做的事與時間運用,整理後把已完成與下一步行動列出來,重新再出發。在多次的調整後,自己也慢慢能判斷哪些是重要、緊急、可能影響到後續走向的,也較能評估自己的狀況,與其他人協調。

在相處上,Roel、Dries和Raphael都給我很彈性的時間與空間,平時閱讀文獻、做實驗,只要自己安排好他們就不太過問,有問題隨時可以當面或用email、What’s App討論,或是介紹對相關領域較有研究的人讓我詢問,也可以有自己的行程與假期。但他們也不是漠不關心,像是有一次Roel發現我使用已久的程式碼似乎有錯,就讓我趕快回去驗證,也請Raphael幫忙debug,不管多晚都要寄信告訴大家狀況;還有一次準備論文答辯預演時,我自己準備的投影片內容不夠有故事性,Roel、Dries、Raphael也一張一張投影片建議我怎麼修改才能讓論文的重點突出且引人入勝。

這次的報告經驗也讓我重新思考,投影片的呈現是因觀眾與用途而異的!EMSP論文答辯只有10到15分鐘,眾多的內容不可能全部表達,有些可能也與大方向主題相關性不大,所以要有故事性進而傳達最重要且讓聽眾聽得懂的訊息,內容是需要取捨的;舉例來說,這次的聽眾大部分是不同領域的同學,若放上全部數據結果(圖1),恐怕讓人昏昏欲睡抓不到重點,因此我們把資訊圖象化,以簡單清楚的方式表達(圖2),反之,若投影片是要用來授課,讓學生可以清楚細節、回家也可自行閱讀,詳細的資料則較適合。

不論是之前修課或這次研究的分享,依環境、個人狀況、條件等等,都會有不同的學習,雖不能完全套用到另一個人身上,但我相信這些都是讓我們具備面對未來各式各樣的情況,可以應變或多方思考的經驗。【精彩內容,下期待續~】

圖1、欲表達光損耗光譜隨溫度變化的位移,而此位移可用cross-correlation計算,但公式與光譜太長雜亂,也無法看出相關性。

圖2、直接計算出cross-correlation,並以位移為橫座標,不同溫度變化為各曲線差別,清楚表達光譜位移與溫度變化的關係。

 

撰文:光電所碩士班學生陳帛鈞

1月15日,我推著沈重的行李箱以及心情搭上了從德國紐倫堡往比利時布魯塞爾midi車站的一班跨國火車,火車的終點站那一頭,等著我的是未知的挑戰。先撇開研究和畢業不說,其實坐上火車的當下,我連當天晚上要睡哪都還不知道呢…,這又是另一個故事了。記得到了布魯塞爾的第二天,一起床就發現窗外下雪了!那天我第一次前往VUB,去BPHOT (Brussels Photonics Team)實驗室報到,初步認識及和實驗室確認我目前的狀況。

於是我先和我的supervisor見了面,他是亞美尼亞來的博士班四年級學生,名叫Tigran。之前我還在蘇格蘭的時候,已經和他通信過了,他也有給我幾篇相關的paper,讓我對於這個主題先有一定的認識。他跟我深入淺出地說明這個計畫的幾個不同的部分,還有我負責部分的目前進度和需要我來幫忙解決的地方。過幾天後,我也與我的指導老師Michael,在那裡稱為promoter,見面討論研究方向和可以開始著手的地方。每次和Michael與Tigran討論,都是相當不錯的經驗。我們會一起在一個桌子前坐下來,通常我會準備幾頁slides的進度報告,還有目前遇到的問題,接著他們會直接在紙上把自己想要說的想法圖像化,然後輪流講自己的看法。在這樣的過程裡,我的很多盲點和不足的地方會很快被糾正,也會很快搞懂一件事情。在這裏我深刻體會到孔子說的「知之為知之,不知為不知,是知也」。比利時式的態度,一次就要確定你真的了解,用最直接的方式跟你討論、讓你搞懂,因為這也是最有效率的方法。這邊的環境也讓我感覺到自己不只是一個碩士班學生而已,比較像是一個研究者,和其他研究者互相討論。

我的研究主題是Design and fabrication of micro-optical components for beam steering system,主要內容是要設計出一個用於beam steering system的微米等級光學元件,來放大steering的掃描角度範圍,我們稱這樣的系統為Angular Magnification System (AMS)。我的研究內容就是將AMS和其他合作單位已經設計出來的Beam Steering System (BSS)結合,來增大原先BSS中掃描角度範圍的不足。先介紹一下所謂的Beam Steering System,顧名思義是可以控制操縱光束的一個系統,可以被運用在很多的光電領域的應用上,像是照明、光通訊、顯示器技術等等。而這樣的系統可以用許多不同的方法和機制來達成,像是用移動的機械結構控制的微機電(MEMS)的方法,也就是有名的DMD (Digital Micromirror Device),利用控制不同小鏡面的反射來操縱,如圖Fig.1所看到的MEMS結構。運用這樣的結構,可以調控光束的方向等參數,達到Beam steering的目的。TI (Texas Instruments)也開發出一種顯示技術,也就是著名的DLP (Digital Light Processing)。

Fig. 1 (a) Structure of DMD [1] (b) Top surface of micromirror surface [2]

另外,還有很多方法可以製成Beam steering system,像是利用兩組微透鏡陣列(MLA)的互相平移產生的光束角度調變,還有用其他不同的作動方式,如EM (Electromagnetic), PE (Piezoelectric), ET (Electro-thermal) actuation等,再搭配特殊的MEMS機構來達到Steering。另外,非機械的方法上,常見的是利用Electro-optical effect,藉由這些EO crystal的特殊性質做成的prisms,來達到steering。利用E-O crystal雖然可以達到快速的調變,但這些晶體價格昂貴並且需要用相當大的電壓來驅動。因此,另外一種使用材料是液晶,它具有較大的E-O response,還有價格便宜許多,驅動電壓低等優點。我的論文計畫裡的光束調變的方式,即為採用液晶為材料。事實上我的論文研究內容隸屬於一個跨界的合作計畫,是我實驗室BPHOT和比利時一些廠商還有學術界的合作。其中包括比利時光電著名學校根特大學的實驗室,而製作液晶為材料的Beam Steering元件,主要是根特大學負責,其類似的paper中的構造圖可從下圖中看到。

Fig. 2 LC blazed-grating beam deflector [3]

這樣的原理簡單來說是利用LC分子受電壓作用後折射率的改變,和相鄰的PMMA折射率的匹配和不匹配的不同情形,在折射率匹配時,液晶分子的折射率和PMMA幾乎相等,因此入射光像是通過均勻的平行基板,而當液晶分子折射率改變,造成入射光通過鋸齒狀的結構產生不同角度的折射,基於這樣的原理,而產生特殊的Beam Steering方式。然而,這樣的調變系統有個問題就是可調變的掃描角度太小,約只有5°,因此我的任務即在要放大這個角度的steering範圍,也就是剛剛提到的Angular Magnification System (AMS),研究內容包含了光學系統模擬與光元件製作以及最後的實驗測試。我的研究的架構大致上可由下面這張圖Fig.3看出來,包括設計、製作、量測實驗三個部分。

Fig. 3 Research flow chart of AMS design, fabrication and experiment

我們採用微透鏡陣列(MLA)的光學系統來放大角度。首先先進行Ray Tracing的光學系統模擬和設計,在這部分我用CODE V跑模擬,先由尺度大的系統開始模擬,從折射式望遠鏡(Refractive Telescope)的系統概念,因其類似的Angular Magnification性質,做afocal system的模擬,設法在保持輸出collimated光束、符合元件尺寸等空間限制,且降低各種像差(Aberration)造成的影響。由於BPHOT實驗室具有精密的Diamond Tooling Technology光學元件加工技術採用,因此我採用Aspheric lens的設計。設計的目的是要將原本液晶元件0°~5°輸出的steering範圍放大,由下圖Fig.4可以看到我設計的一點初步結果,儘管其沒有完全滿足尺寸的constraints,但從中可說明光束的角度偏折放大的現象,約可以達到30°~45°的偏折,也就是說我的Angular Magnification可以達到6~9倍。

Fig. 4 100μm MLA design without thickness confinement

經過不斷的光學模擬的參數修改與constraint的調整,將我模擬結果的微透鏡系統在Matlab上建構,並且規劃Diamond Tooling切削的刀路規劃等,計算切割成本與所花費的時間等等。由於實驗室的Diamond Tooling的切割行程表通常是非常滿的,也有些外面廠商委託的案件,因此在加工我的元件時也稍微計算一下切削成本以及所需花費的時間,這也會跟使用不同大小刀具有所不同。由於我的結構尺度較小,所以相對地也花了比較長的時間,另外也要考慮基板要翻面進行雙面加工,因此需要算好切割的時間來置換元件以及重新設定切削刀路等。這方面細部的刀路規劃與切割的操作,是由到美國受過機台訓練的教授Michael以及另一名實驗室專業人員來進行。

Fig. 5 8x1 MLA surfaces with fillets

我加工的aspheric微透鏡陣列(MLA, Micro Lens Array)的profile在Fig.5中可以看到,這其中每個period間的部分,都有經過計算設計出圓角,讓刀頭切割不會有錯誤或是干涉到鏡面所需保留的部分。而Diamond tooling機器可以在Fig.6中看到,這樣的多軸精密加工機,甚至可以加工Free form optics。有趣的是,在加工之前,我還特地要去開技術會議,present我要加工的元件,提供尺寸等資訊,向實驗室另一位資深教授Prof. Heidi(EMSP計畫負責人之一)、在BPHOT實驗室熟悉Diamond Tooling的幾位教授和專業人員報告,經過他們討論,安排適合的時間,和使用適合的刀具和加工方式,相當特別。其實在光電所也修了幾堂光學相關的課,也在光學桌上架過一些光路,但是沒想到竟然可以從光學設計到透鏡製作都自己來,也愈明白這其中有很多妙不可言與深不可測之處。

Fig. 6 Multi-axis capabilities and equipment of diamond tooling machining (DTM)

經過了兩天機器不眠不休的加工,我的MLA終於大功告成,接下來教授就提醒我這個加工好的鏡片有多貴,要好好保護它。經過了量測加工後透鏡的基本資訊,像是表面粗糙度與微透鏡陣列的表面輪廓探測等,確認加工後透鏡合乎設計,就進入我研究最後一個重要步驟,那就是用這個透鏡作量測實驗,驗證它能夠實際偏折和模擬的情形一樣。雖然實測結果和模擬有些小誤差,但是這樣的設計是可以達成我們所需要的掃描角度放大,可以達到約9倍的放大倍率。而其中的誤差原因也是我論文探討的部分。當然,要拿到EMSP這個學位,還需要把論文寫出來並且參加Thesis defense。還記得論文期限的最後一、兩個禮拜,才剛加工好透鏡陣列,在很短的時間內要把光路架好而且完成偏移角度的量測,寫論文有幾天都寫到天亮,只好一邊聽著滅火器樂團的島嶼天光:「天色漸漸光,遮有一陣人,為了守護咱的夢,成做更加勇敢的人」來激勵自己。

這個學期的課業重心都在研究上面,雖然不敢說自己做得好,但是也實實在在地完成了這個任務,增加了一些見識,及觀察到在歐洲做研究的生活和態度等等,是我人生中一個很寶貴的經驗、一段珍貴的時光。能夠完成歐盟EMSP光電碩士學位,也再次謝謝臺大光電所提供我這樣的機會,能夠到西方的學術環境進行研究。【精彩內容,下期待續~】

Fig. 7 論文與口試

Reference

[1] Optical Science Corporation, “Overview of Digital Micromirror Device, ” http://www.opticalsciences.com/dmd.html.”
[2] M. Douglass, “Lifetime Estimates and Unique Failure Mechanisms of the Digital Micromirror Device (DMD),” Proceedings of International Reliability Physics Symposium, pp. 9-16, 1998.
[3] X. Wang, D. Wilson, R. Muller, P. Maker, and D. Psaltis, “Liquid-Crystal Blazed-Grating Beam Deflector, ” Applied Optics, vol. 39, pp.6545-6555, Dec. 2000.

 

 

 

 
     
 
 

Suppression of Current Collapse in Enhancement Mode AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors

Professor Jian-Jang Huang's laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃建璋教授

AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) for RF and power applications have been researched and developed for over 20 years now and have met/exceeded many of the goals initially pursued by its researchers. In recent years there is strong demand for GaN power devices on Si substrates. In this work, the phenomenon of current collapse of E-mode HEMTs with the p-GaN cap layer was studied with (device B) and without (device A) SiO2 passivation. By extracting normalized Ron of our devices at different gate stress, it is demonstrated that device B has less severe current collapse within the gate stress of -15V. QSCV indicates that donor-like traps in SiO2/GaN interface and within the SiO2 layer suppresses electrons on the epi-structure surface and within the p-GaN cap layer, thus maintaining the channel carriers and mitigating current collapse.

Fig. 1 (a) Illustration of the setup for current collapse measurement. (b) The waveform of the node VG and VD in the dynamic measurement. VDD is 40V in the test.

Fig. 2 Transient response of the dynamic measurement of (a) device A (without SiO2 passivation) and (b) device B (with SiO2 passivation) with the measurement duration 5µs. A longer measurement of 500µs was also performed and shown in (c) for device A and (d) for device B. The gate bias stress is 0, -5, -10 and -15V, and the post stress measurement is called “0V final”.

Fig. 3 Illustration of the carrier flows in the devices. (a) shows carrier trapping in device A while (b) is the case for device B. Carrier distributions at the off-state but under the gate stress bias are drawn in the left figures while the switched-on conditions are shown in the right.

 

Tunable Three-Leaf Trefoil-Type Corner Cube Retro-Reflector

Professor Jui-che Tsai

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 蔡睿哲教授

We have developed a three-leaf trefoil-type corner cube retro-reflector (CCR) fabricated with the MUMPs polysilicon surface micromachining process. Unlike other MEMS CCRs, this CCR’s opening faces straight upward as its (1, 1, 1) direction, i.e., the direction along which the retro-reflection efficiency is maximum, is perpendicular to the substrate’s surface (Fig. 1). Simulation results show that the orthogonality of CCR plays an important role in the optical performance of the CCR. Two CCRs leaning against each other to form a CCR pair are also demonstrated (Fig. 2), showing the feasibility of achieving a linear CCR array. With the ability to independently set the on-off state of each CCR by employing an electrostatically actuated gap-closing mirror as one of the three reflecting “leaves,” a CCR array can be used to realize optical identification.

Figure 1

Figure 2

© 2015 IEEE
Y. F. Chen, B. J. Yang, and J. C. Tsai, “Surface-micromachined MEMS tunable three-leaf trefoil-type corner cube retro-reflector for free-space optical applications,”
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 21, No. 4, 2700907, Jul./Aug. 2015

 

     
 
 
論文題目:發光二極體光取出效率提升方式探討與新式固態雷射照明光源開發與應用

姓名:廖冠詠   指導教授:曾雪峰教授

 

摘要

本論文分為前後兩部分,第一部份我們探討提升發光二極體(LED)的光取出效率(LEE)的方式,探討的範圍包含LED晶片的內部微結構、LED晶片的表面粗化與LED封裝的幾何結構,經由這部分的研究,我們可以利用探討的結果製作出更高光取出效率的發光二極體。

第二部分我們成功的利用可見光雷射二極體(LD)結合螢光體產生出高輝度(luminance)的白光點光源,結合此高輝度點光源與我們設計的光機(light engine),我們成功的設計並開發製作出高準直性的投射性光源,並將結合並應用在車燈系統上。

最後,結合雷射白光光源與微機電控制反射鏡,我們提出在未來行車智慧照明上的可行應用概念以及光追跡(ray tracing)模擬結果。

圖一、結合高效率LED與雷射照明系統的車燈概念示意

圖二、LED+LD車燈實際投射到屏幕上的結果

 

論文題目:Toward Fully Solution-Processed Organic Photovoltaics: Spectroscopic Studies on Electronic Structures for Organic Solar Cells with Graphene Electrodes

姓名:張然凱   指導教授:吳志毅教授


摘要

本研究探討有機體異質介面(Organic bulk-heterojunction)太陽電池中能階排列(Band alignment)對開路電壓之影響與機制。透過修飾其內部各分界面之性質,減少光生載子於內部傳輸時的能量損耗來提升光電轉換效率,從能量角度歸納出元件構型與材料選用之參考準則,藉此規劃元件結構達到適當之能階匹配;工程上成功地結合了能階調變後的元件結構與石墨烯(Graphene),有效地將石墨烯薄膜作為透明導電陰極與陽極並轉印至有機物質之上,開發出高效率之半透明有機太陽電池,並達到全溶液製程而降低時間成本與製程開銷,增添了大面積製備之可能性,提供了可與建築、外觀整合的嶄新應用。

圖一、使用石墨烯電極之半透明有機太陽電池雙向皆可產生綠能(Bifacial green power generation)

圖二、可發展為綠能窗之半透明太陽電池實際外觀

 

 
 
 

— 資料提供:影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理:林晃巖教授、林暐杰 —

眼睛能告訴你的事

人的瞳孔是圓的,動物瞳孔形狀則是各異的。山羊、綿羊、馬、家貓和許多其他動物的瞳孔在昏暗的燈光下為圓形,在明亮光線下為細縫或矩形。該假設是,細長瞳孔允許更有效地控制光線進入眼睛的量。拿家用的貓舉例:從完全擴張到完全收縮,它的瞳孔可以通過135倍變化的光;而人的瞳孔改變只有15倍變化。瞳孔擴張和收縮對動物活躍在白天和夜晚非常有幫助,尤其在低照度條件下允許更好的視野。然而這一假說並不能解釋:為什麼有些物種的瞳孔方向是垂直有些物種是水平?
 

圖一 (A) 不同的的瞳孔形狀。從上至下:家貓的豎縫的瞳孔,猞猁的垂直細長(近圓形)的瞳孔,人的圓形的瞳孔,與國內羊水平的瞳孔。(B) 瞳孔形狀的功能對應於覓食模式與晝夜活動。垂直軸是光瞳形狀〔豎直細長,近環形(但垂直方向上拉長)、圓形、或水平方向拉長〕;水平軸是覓食模式〔食草獵物、活性捕食者、或伏擊捕食〕。每個點代表一個物種。顏色代表晝夜活動:黃色、紅色和藍色分別代表日間、多相和夜間。在每個分區中的點被隨機偏移以避免重疊。

你有沒有想過,為什麼狐狸和家貓有垂直細長的瞳孔;而相比之下,綿羊、馬、鹿等動物的瞳孔的橫向較細長呢?如果細長瞳孔的唯一原因是為了控制光進入眼睛的量,其方向就不會是重要的。

馬丁.班克斯和他來自美國加州大學柏克萊分校和英國杜倫大學的同事,在最近的一項研究中定量地揭示了動物的不同瞳孔形狀背後的物理意義(Sci. Adv. 1, e1500391; 2015)。他們的工作主要集中在哺乳動物和蛇的垂直和水平瞳孔之視覺好處。

達勒姆大學的Gordon Love說:「在這項工作中有三個主要的研究結果。」首先在於動物是否為獵物或捕食者(特點是白天活動的時間)與瞳孔形狀有著強相關。Gordon Love解釋說:「雖然這之前已經討論過,但我們證明其間的統計關係。橫向細長的瞳孔很容易發生在獵物的眼睛,位於牠們的頭兩側;而垂直細長的瞳孔是容易發生在晝夜間活躍的掠食者。」第二,橫向細長的瞳孔視力輔助全景式地面上,可以幫助偵測接近的天敵和跨越崎嶇的地形上。第三,垂直細長的瞳孔有助於深度知覺藉由允許立體視覺和模糊以一個更互補的方式工作。

Gordon Love說:「針對水平細長瞳孔的假說之前已經被描述過,但從來沒有量化。在此我們展示這個想法是有效的,藉由建構眼睛模型基於國產羊並檢查當瞳孔沿不同軸伸長或不伸長會發生什麼現象。」「針對垂直細長瞳孔的假說是新穎的,我們再次展示這個想法是藉由建構眼睛模型和檢查瞳孔方向如何影響在視網膜圖像的模糊程度。」

Gordon Love告訴Nature Photonics期刊說:「這是典型的純科學,試圖了解大自然如何工作!」在自然界,還有一些無法解釋的瞳孔形狀與現象,了解所有的各種變化是未來有趣的挑戰。
 

參考資料:

1. Rachel Won, Nature Photonics 9, 640(2015)

doi:10.1038/nphoton.2015.187 Published online 29 September 2015
2. Banks, Martin S., et al. "Why do animal eyes have pupils of different shapes?" Science advances 1.7 (2015): e1500391.

   
 
 
 
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