Professor Guo-Dung J. Su's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 苏国栋教授

Microlens arrays are important components in many applications, such as Shack-Hartmann wavefront sensors, beam shaping for illumination, light gathering for solar concentrators and information displays, etc. Various techniques to fabricate MLAs have been developed. Inkjet-printed microlens arrays (MLAs) were fabricated using hydrophilic confinement by UV/ozone treatment in the Micro Optics Device Lab of National Taiwan University. The MLAs were made from negative photoresist SU-8 (n=1.63 at 530 nm). A film of 10-µm-thick SU-8 shadow mask was used to define UV/ozone-treated hydrophilic zones on an SU-8 photoresist base layer. An inkjet print head was used to jet SU-8 photoresist drops onto these zones. After UV-curing, MLAs with diameters of 150, 200, 400, 800 and 1000 µm were successfully fabricated. Contact angles of MLAs increased from 22° (on MLAs fabricated using an SU-8 photoresist base layer without any surface treatment) to 45.5°, 47.7°, 52.4°, 51.3° and 54.2°, for 150, 200, 400, 800 and 1000 µm lens diameters, respectively. Using hydrophilic confinement, MLAs with a wide range of contact angles can be fabricated with diameters from 150 µm to 1 mm. This method provides a simple, cost-effective fabrication process without need for etch-transfer.

姓名：张永亭   指导教授：吴志毅教授

摘要

本篇论文主要着重在探讨小分子的有机材料应用在湿式制程上之有机电致发光组件。利用小分子主体材料SimCP2直接比较目前最常用的高分子主体材料PVK，制作成难度最高的湿式制程单层高效率蓝色磷光(FIrpic)组件。将此两组件最佳化后直接比较效率上的差异，并辅以增光膜(BEF)研究其组件光学出光特性，如图一。研究发现；尽管SimCP2在材料传输特性和内部量子效率各方面都胜过PVK。但是在两个组件都贴附了增光膜后；如图二，实验证实SimCP2小分子组件的效率可以胜过高分子材料，推测原因为小分子材料为等向性(isotropic)的材料易产生等向性的电偶极距(isotropic dipole)，故容易局限光在组件内部，但是高分子材料为非等向性(anisotropic)的材料，易产生平行的电偶极距(in-plane dipole)。 此外本论文证明了在阴极接口上本论文diazole的电子传输材料会与氟化铯和铝有化学反应发生，化学反应为3OXD-7 + 3CsF + Al → 3(Cs+ + OXD-7- )+ AlF3。此发生在oxadiazole与Al金属上的化学反应，而让组件的电子注入变的容易许多，使得其电子注入会与没有oxadiazole的电子传输材料的注入差异非常的大。无论是湿式制程的高分子与小分子材料甚至在热蒸镀的制程上，此一化学反应都会帮助电子注入，让本来极度缺乏电子的组件，让电子电洞能够平衡，效率才能因此与热蒸镀的有机电致发光组件竞争。 图一 图二

论文题目：以阻抗对电压特征曲线分析有机发光二极管载子传输及起始电压特性

姓名：吴以雯   指导教授：吴志毅教授

摘要

本论文使用电流及阻抗(impedance)对电压曲线来探讨有机发光二极管(OLED)组件特性。实验发现有机发光二极管的起始电压(turn-on voltage)由电洞传输层的最高填满轨域(HOMO)与电子传输层的最低未填满轨域(LUMO)能阶差决定。另一研究主题为在组件导通前的阻抗转折，将阻抗转折处的电压定义为转折电压(transition voltage)。图一为不同阴极结构其转折电压对电子传输层厚度关系，在电子注入层的存在下，转折电压会往正向偏压平移。该平移是由于电子注入层或阴极金属材料扩散进入电子传输层造成，如图二所示，使得组件起始电压和转折电压的差距减小。因此阻抗对电压曲线可用来观察组件内阴极材料扩散的情形。 图一 图二

— 数据提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、陈圣灏 —

量子密码学持续进步

将光子加密编码以完全安全地传播，在量子信息科学上是相当成功的创举。研究显示长距离的加密信息传输也是一样有效的，此研究架构包含测量光的波动特性；而非粒子特性。

量子密码学的流行来自于它可避免被窃听的安全通信之诱人能力。不像传统的密码学，量子金钥分配(quantum key distribution (QKD))是建立在物理定律；而不是数学的复杂性。虽然仍处于技术发展初期阶段，但量子密码学被认定是第一个基于对量子关联的定量理解之技术，称为纠缠态(entanglement)。已有数个公司贩卖开机即用的量子密码系统，而且政府机构也正在建立使用的标准。

QKD一般使用如图一中所示的两种实验方法来实现。第一种方法是利用光子的独特性质(如偏极化)，简称为离散变量(DV)，用来作为测量的非正交基底。这就是在1984年第一次提出被称为BB84的原始QKD协议，并结合许多后来的QKD协议。相较之下，第二种方法使用光场正交振幅的方式，一般而言与光学挤压(squeezing)理论有关联，这种连续变量(CV)的方法在1999~2000年被证实对于QKD是有用的。后者这种使用光场的QKD之所以发展较迟，可能归因于单光子态的确比传统场态(例如同调态)来得更量子化；然而，DV-QKD 与CV-QKD的存在确实也指出了光的二重性。

图一、量子金钥系统使用DV单光子态编码(绿)与CV光场正交振幅编码(红)。其中寄件人(Alice)与收件人(Bob)被不被信任的光通道所分开，这些信道充斥着噪声与损耗。使用光子计数器与单频检测器(homodyne detector)可以针对DV与CV系统分别侦测。

截至目前为止，最先进的QKD系统皆使用DV系统。或许是因为CV-QKD较晚被发展；而事实上，CV-QKD发展一开始就存在着各种问题，早期认为CV-QKD的损耗大于50%(3dB)不可能用于通信传输。即便使用超低损耗的硅光纤，CV-QKD传输距离仍限制在20公里以内。2002年，两个独立的计划，GG02 and SRLL02，显示出3dB的限制可分别藉由使用相反调和(reverse reconciliation)与后选择协议(post-selection protocols)来提升。一个有趣的问题是：对于量子密码学是否有偏好的平台？或者是否有等效原理可控制DV与CV系统的效能？

Jouguet 等人在近期Nature Photonics的文章中，不仅解答此疑问，并且大幅提升CV-QKD的能力。在他们的文章中提到，一个标准通信波长 (1.5微米) 激光用于产生同调态的亮态激光脉冲，每一个脉冲被调制成具有高斯分布的振幅与相位并编码成讯号。使用传统的光电二极管于一个单频系统(homodyne system，这个系统的标准架构是让同调通信系统的信号在相同的频率下混合以调制或解调制)，研究人员成功达成在80公里的光纤中使用GG02协议展示QKD。这个传输长度远远超过CV-QKD先前的最佳纪录25公里。

Jouguet等人做了决定性但违反直觉的观察：在光束中微弱信号的编码确实获得改善的结果。所有的光纤系统中包含很多噪声源，量子与技术上的光源噪声以及环境噪声限制了通信系统可达到的对于加密讯号的讯噪比(signal-to-noise ratio, SNR)。尽管较小讯号传输的讯噪比较低，使用GG022的CV-QKD系统的最佳端点与端点效能可在使用相对小的讯号强度下得到，其原因在于将讯噪比大的高斯讯号译码，难以达到最佳条件的饱和值。结果当较强讯号发出时，发信者(Alice)与接收者(Bob)相较于Eve(窃听者)处于不利的条件，因为Eve很可能在最佳的比例下窃取信息。Jouguet等人利用先前被忽视了的低讯噪比下的优势，使Alice 与 Bob非常接近最佳条件的饱和值，这也使Eve失去了有利条件，因而明显地增进系统效能。由这个例子可知，是Alice与Bob对于Eve的相对优势重要，并非是原始数据传输率重要。

除了扩大CV-QKD的通信范围，Jouguet等人也考虑数据区块的有限大小的效应，以测试对系统安全的影响。对于加密通信信息安全，普遍来说减少数据区块的大小，要求会变得更迫切。这是因为QKD需要对于每一个数据区块独立计算信道参数，较小的数据区块导致对于参数的预测有较大的不确定性；为了维持安全性，应使用最悲观的信道预测，QKD系统使用有限大小的数据区块，应被假定比预期具有较差的通道效能，而此预期是基于理论上有限大小串流的分析而得。Jouguet等人证明了，在他们的系统中，数据区块的大小为10⁸或者更大者，对于超过80km传输的QKD系统是足够的。

虽然物理定律原则确保了QKD系统的绝对安全，当理论上的范例转换成真实的情况，任何实际的运用仍必须经过严格地测试，以确保没有漏洞产生。未来几年这很可能对于实验主义者留下挑战。然而，从这个看法来说，单频检测的线性度意味着CV-QKD比DV-QKD来得不易被可以蒙蔽或欺骗光子计数器攻击。另一个CV-QKD系统的潜在优点是与传统光纤网有着本质上的兼容性。CV-QKD与现在的通信网具有相同的光源与光电二极管侦测器。而且，CV-QKD使用单频侦测器本质上是宽带的，因此其与密集分波多任务技术(dense wavelength-division multiplexing)具有兼容性，这正是一个现代通信系统常用的架构，其中数据可同时利用数个波长通道传输来增加整个系统的传输容量。

除了安全与兼容性之外，关于距离与加密钥匙的传输率对于QKD的商业运用也是重要的关注议题。迄今，最长的实验距离约250公里，这是在瑞士与中国使用超低损耗的光纤所达成；于加那利群岛的大气中的自由空间传输则超过144公里。QKD最高的加密钥匙传输率每50公里1 Mbit s⁻¹。所有的结果均使用DV-QKD系统执行。虽然Jouguet等人的结果并未超过这些纪录，却使得CV-QKD实现改良效能的潜力更为彰显。传输范围上额外的进步很可能可以借助后选择 (post-selection)技术。

近几年在QKD最令人印象深刻的进步是令人乐观期待并吸引大量计划以建立全球的量子密码网，可以让地面站与空中的卫星间进行联系。CV-QKD系统是否在未来几年迎头赶上DV-QKD系统并成为地面至卫星间QKD的可行竞争者？Jouguet 等人的研究结果显示这是可能的。