第166期 2020年9月刊
 
 
 
發行人:黃建璋所長  編輯委員:曾雪峰教授  主編:林筱文  發行日期:2020.09.30
 
 

本所孫啟光、吳育任、黃定洧、吳肇欣、黃建璋、林恭如等教授榮獲科技部「2020未來科技獎」,特此恭賀!

 

單位名稱

技術名稱 計畫(總)主持人 計畫共同主持人
國立臺灣大學 倍頻顯微術

國立臺灣大學

孫啟光

 
 國立臺灣體育運動大學

KarmaZone電子好球帶與無標記式3D動作分析系統

國立臺灣體育運動大學

黃致豪(計畫總主持人

國立臺灣大學

吳育任

國立臺灣大學

吳沛遠(子計畫一共同主持人)

國立高雄科技大學

超世代1.6Tb/s矽光子光發射傳輸晶片

國立高雄科技大學

施天從

國立臺灣大學

黃定洧、吳肇欣、黃建璋、林恭如

 

 

 

 
 

~ 2020 暑期大學生光電營 花絮報導 ~

(時間:109年8月5日至7日;地點:臺灣大學博理館 )

 花絮整理:活動總召黃智偉

臺大光電所每年暑假都會舉辦為期三天、從早到晚、包吃包上課的精采營隊—臺大光電營,這個活動是專門為對光電領域有興趣的同學舉辦,旨在向學弟妹們介紹光電領域相關的知識,並介紹所上目前的發展概況,也提供申請方面的資訊,對於學弟妹來說是個非常好的機會與體驗!

第一天上午先由黃建璋所長為我們開啟光電營的序幕,簡單介紹光電科技的背景以及發展,接著則分別由蔡睿哲教授、蘇國棟教授和林晃巖教授介紹雷射導論、Zemax光學設計、嵌入式系統的基本原理及其產業,豐富的內容讓大家對雷射及光學設計有了更深入的瞭解。

第二天一開始由李翔傑教授介紹生醫光電相關的知識,這部分是一般大學課程比較少接觸到的領域,聽完教授介紹,同學對生醫光電領域有了初步認識。再者,相較於往年,今年的光電營著重在讓來參加的同學實作,實驗實作的部分分為兩大類:由樊俊遠助教介紹Zemax軟體,並且安排簡單的練習題讓同學們熟悉光學系統設計及軟體,另一方面由林晃巖教授及黃定洧教授設計一系列的嵌入式系統的實驗,讓同學們對於簡單的coding和電路整合有進一步的暸解。今年做了實驗課程的重大改變,獲得許多同學的好評,讓光電營不只是聽,也能動手實際操作。

第三天由黃定洧教授介紹光通訊領域基本知識及產業發展性,光通訊在未來也扮演著相當重要的角色。接著是分組討論的溫馨時間,同學們分享著這三天活動課程的感想,雖然一開始同學們對於要做一份投影片來總結三天下來的心得有些不知所措,但是相處三天之後同學們越來越熟悉,透過討論時間彼此之間的感情也默默地升溫,最後四組的同學都呈現了完美的心得分享。相信大家都透過本次光電營更了解光電領域,也認識了來自不同學校的朋友,對大家來說是一次收穫滿滿的營隊體驗。

 

 
 
 

         Formation of ceramic and crystal claddings for Ti:sapphire crystalline fiber core

Professor Sheng-Lung Huang

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃升龍教授

Fibers with crystalline core and clad have high potential for high power applications. When compared with the photonic crystal fibers with glass core, the single-crystalline-core fiber has, in general, a higher melting point and larger dielectric breakdown field, that make it advantageous for high power light source applications. However, most of the crystal-core fibers use glass as a cladding, which are still affected by the fringe field. Air-cladding can avoid this damage, but it induces high losses. Using ceramic or crystal cladding, power can be scaled up without damaging the fiber while keeping a low transmission loss. For single-mode structures the laser intensity and the amplified spontaneous emission can be maintained at high level, whereas for optical amplification, it is essential to use single-mode waveguiding to achieve high signal gain.

In this study, we have developed single-mode Ti:sapphire crystalline fibers, cladded by dip coating and high-temperature sintering at 1750 °C. Solid-state single crystal growth was observed at the perimeter of the crystalline core, and the growth speed along (11 ̅0) is about 2.7 times faster than that of (001). As shown Fig. 1, the grown cladding was single-crystalline as evidenced by electron backscattered diffraction and scanning electron microscopy examinations. From optical transmission measurement at 1550 nm, the far-field distribution of the transmitted light matches well with that of the fundamental mode. With a core size of 30 μm, the refractive index difference between core and clad was measured to be 1.0x10-4. From fluorescence mapping on the fiber end face, a very limited amount of the Ti3+ ions in core were diffused into the grown crystalline cladding during the solid-state growth. The realization of a fully crystalline single-mode fiber could be useful for applications where high power and/or high brightness light sources are needed.

Fig. 1. (a) EBSD end-face image of ceramic crystal cladded fiber, which was sintered for 24 hours at 1650 °C, and (b) crystal orientation map displayed in inverse pole figure coloring.

 

Reference:

T. I Yang, H. T. Liu, S. C. Wang, K. H. Chuang, T. C. Chou, and S. L. Huang, “Formation of ceramic and crystal claddings for Ti:sapphire crystalline fiber core,” Opt. Materials Express, 10, No. 5, pp. 1215–1223, 2020.

 

     
 
 
論文題目:以單載波正交分頻多工直調雙/三模雷射二極體建構毫米波光纖整合第五代無線通訊

姓名:王懷永   指導教授:林恭如教授

 

摘要

為了因應大容量於長距離的傳輸,本研究工作在於開發適用於第五代無線通訊並整合長距離毫米波光纖傳輸系統。在第一部分中,首先透過正交雙模光載波注入鎖定無色雷射二極體來產生正交雙模且單載波調變之雙模光載波來抑制長距離所產生之色散效應並用於建構毫米波光纖有線於無線傳輸系統。在經過正交極化與單載波調變的優化下,被調變之64-QAM OFDM且傳輸位元率為24 Gbit/s在經過背對背及25公里單模光纖傳輸下,其各自的誤碼率及錯誤向量分析分別為2.2x10-4/6.48%與2.2x10-4/7.07%。再經過1.6公尺的無線距離後,最大可傳輸16-QAM OFDM且傳輸位元率為8 Gbit/s。在第二部分的研究中,透過正交注入鎖定產生正交之三模且單載波調變之光載波用於建構75公里長距離之28-GHz毫米波光纖傳輸系統。在透過Bit-loading的技術下,透過從64-QAM至1024-QAM其最大傳輸位元率可達88 Gbit/s。經過10公尺之無線傳輸後,透過正交三模光載波且單載波調變可提升最大傳輸位元率到29.6 Gbit/s。在本研究之第三部分中,透過極弱功率注入鎖定垂直面射型雷射二極體來產生正交雙模光載波用於建構無須本地震盪之28-GHz毫米波光纖傳輸系統。首先,在經過-26 dBm (2.5 μW)下注入後可產生雙模功率差只有5.43 dB之正交雙模光載波,除此之外,在模間雜訊的分析下,經過極弱功率注入後期雜訊僅提升2 dBc/Hz。在經過50公里單模光纖有線傳輸後,最大傳輸位元率可達51.9 Gbit/s。在經過2公尺無線傳輸且透過功率偵測器達到自我降頻後,透過Bit-loading技術下,最大調變頻寬及傳輸位元率可達11.1 Gbit/s。相較於使用QAM-GFDM,其傳輸容量可提升177.5%。

Fig. 1. 整合有線分波多工被動光網路及第五代無線通訊之架構設計。

Fig. 2. (a) 高階QAM調變,(b) 低階QAM調變,(c) 位元承載調變。

 


 
 
 

— 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、卓真禾 —

雷射奈米印刷

奈米粒子的3D印刷由於其廣泛的應用而受到越來越多的關注。現在,美國代頓大學(University of Dayton)的Md Shah Alam及其同事展示了一種基於雷射的光熱機械奈米印刷(laser-based opto-thermomechanical nanoprinting, OTM-NP)方法,該方法不僅具有低於100 nm的精準度,而且還具有印刷錯誤校正功能。(Nano Lett. https://doi.org/10.1021/ acs.nanolett.0c01261; 2020).

OTM-NP技術利用施體基板(玻璃蓋玻片上的聚二甲基矽氧烷)透過凡得瓦力維持金屬(金)奈米粒子和受體基板。如圖一所示,使用OTM-NP在玻璃基板上印刷10×10的100 nm金奈米粒子陣列。施體基板和受體基板之間的間隙通常為1 μm。操作波長為1,064 nm的連續波雷射以100 mW μm–2的光強度聚焦到金奈米粒子上。

圖一、10×10的100 nm金奈米粒子陣列印刷在玻璃基板上。比例尺代表1μm。

金奈米粒子吸收雷射能量並加熱其下方的施體基板,導致快速的熱膨脹。 由於膨脹力,在聚焦的雷射光束的光學梯度和軸向力的引導下,金奈米粒子從施體基板釋放並向受體基板移動。當金奈米粒子到達受體基板時,它會透過凡得瓦力保持在原位。

根據報導,壓印精準度優於99 nm。

可以使用OTM-NP的奈米粒子添加和去除的功能來實現印刷的錯誤校正。 例如,將字母‘N’(由14個200 nm尺寸大小的金奈米粒子的圖案組成)壓印在覆蓋氧化銦錫的玻璃基板上。為了修復圖案‘N’並校正奈米粒子的任何位置的誤差,從字母(中間圖片)中選擇性地去除了三個金奈米粒子(在左側圖片中用紅色圓圈標記)。然後,將兩個新的金奈米粒子(在右圖的藍色圓圈中標記)添加到字母‘N’以修復該結構。奈米印刷和奈米修復都可以在一般室內環境條件下在同一平台上進行。

圖二、光電熱機械奈米印刷(OTM-NP)機制和添加奈米粒子印刷的示意圖。

至於應用,研究人員指出,OTM-NP技術可證明對製造2D超穎表面和3D超穎材料等結構有用。

 

 

參考資料:

[1] Noriaki Horiuchi, “Laser nanoprinting,” Nature Photonics volume 14, 474(2020)

https://www.nature.com/articles/s41566-020-0672-3

DOI: 10.1038/ s41566-020-0672-3

[2] Md Shah Alam, Qiwen Zhan, and Chenglong Zhao*, “Additive Opto-Thermomechanical Nanoprinting and Nanorepairing under Ambient Conditions, ” Nano Lett. 20, 5057–5064(2020).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01261

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01261

   
 
 
 
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