Professor Guo-Dung J. Su's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 蘇國棟教授

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：張永亭   指導教授：吳志毅教授

摘要

本篇論文主要著重在探討小分子的有機材料應用在溼式製程上之有機電致發光元件。利用小分子主體材料SimCP2直接比較目前最常用的高分子主體材料PVK，製作成難度最高的溼式製程單層高效率藍色磷光(FIrpic)元件。將此兩元件最佳化後直接比較效率上的差異，並輔以增光膜(BEF)研究其元件光學出光特性，如圖一。研究發現；儘管SimCP2在材料傳輸特性和內部量子效率各方面都勝過PVK。但是在兩個元件都貼附了增光膜後；如圖二，實驗證實SimCP2小分子元件的效率可以勝過高分子材料，推測原因為小分子材料為等向性(isotropic)的材料易產生等向性的電偶極距(isotropic dipole)，故容易侷限光在元件內部，但是高分子材料為非等向性(anisotropic)的材料，易產生平行的電偶極距(in-plane dipole)。 此外本論文證明了在陰極介面上本論文diazole的電子傳輸材料會與氟化銫和鋁有化學反應發生，化學反應為3OXD-7 + 3CsF + Al → 3(Cs+ + OXD-7- )+ AlF3。此發生在oxadiazole與Al金屬上的化學反應，而讓元件的電子注入變的容易許多，使得其電子注入會與沒有oxadiazole的電子傳輸材料的注入差異非常的大。無論是溼式製程的高分子與小分子材料甚至在熱蒸鍍的製程上，此一化學反應都會幫助電子注入，讓本來極度缺乏電子的元件，讓電子電洞能夠平衡，效率才能因此與熱蒸鍍的有機電致發光元件競爭。 圖一 圖二

論文題目：以阻抗對電壓特徵曲線分析有機發光二極體載子傳輸及起始電壓特性

姓名：吳以雯   指導教授：吳志毅教授

摘要

本論文使用電流及阻抗(impedance)對電壓曲線來探討有機發光二極體(OLED)元件特性。實驗發現有機發光二極體的起始電壓(turn-on voltage)由電洞傳輸層的最高填滿軌域(HOMO)與電子傳輸層的最低未填滿軌域(LUMO)能階差決定。另一研究主題為在元件導通前的阻抗轉折，將阻抗轉折處的電壓定義為轉折電壓(transition voltage)。圖一為不同陰極結構其轉折電壓對電子傳輸層厚度關係，在電子注入層的存在下，轉折電壓會往正向偏壓平移。該平移是由於電子注入層或陰極金屬材料擴散進入電子傳輸層造成，如圖二所示，使得元件起始電壓和轉折電壓的差距減小。因此阻抗對電壓曲線可用來觀察元件內陰極材料擴散的情形。 圖一 圖二

— 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、陳聖灝 —

量子密碼學持續進步

將光子加密編碼以完全安全地傳播，在量子資訊科學上是相當成功的創舉。研究顯示長距離的加密資訊傳輸也是一樣有效的，此研究架構包含測量光的波動特性；而非粒子特性。

量子密碼學的流行來自於它可避免被竊聽的安全通信之誘人能力。不像傳統的密碼學，量子金鑰分配(quantum key distribution (QKD))是建立在物理定律；而不是數學的複雜性。雖然仍處於技術發展初期階段，但量子密碼學被認定是第一個基於對量子關聯的定量理解之技術，稱為糾纏態(entanglement)。已有數個公司販售開機即用的量子密碼系統，而且政府機構也正在建立使用的標準。

QKD一般使用如圖一中所示的兩種實驗方法來實現。第一種方法是利用光子的獨特性質(如偏極化)，簡稱為離散變量(DV)，用來作為測量的非正交基底。這就是在1984年第一次提出被稱為BB84的原始QKD協定，並結合許多後來的QKD協定。相較之下，第二種方法使用光場正交振幅的方式，一般而言與光學擠壓(squeezing)理論有關聯，這種連續變量(CV)的方法在1999~2000年被證實對於QKD是有用的。後者這種使用光場的QKD之所以發展較遲，可能歸因於單光子態的確比傳統場態(例如同調態)來得更量子化；然而，DV-QKD 與CV-QKD的存在確實也指出了光的二重性。

圖一、量子金鑰系統使用DV單光子態編碼(綠)與CV光場正交振幅編碼(紅)。其中寄件人(Alice)與收件人(Bob)被不被信任的光通道所分開，這些通道充斥著雜訊與損耗。使用光子計數器與單頻檢測器(homodyne detector)可以針對DV與CV系統分別偵測。

截至目前為止，最先進的QKD系統皆使用DV系統。或許是因為CV-QKD較晚被發展；而事實上，CV-QKD發展一開始就存在著各種問題，早期認為CV-QKD的損耗大於50%(3dB)不可能用於通信傳輸。即便使用超低損耗的矽光纖，CV-QKD傳輸距離仍限制在20公里以內。2002年，兩個獨立的計畫，GG02 and SRLL02，顯示出3dB的限制可分別藉由使用相反調和(reverse reconciliation)與後選擇協定(post-selection protocols)來提升。一個有趣的問題是：對於量子密碼學是否有偏好的平台？或者是否有等效原理可控制DV與CV系統的效能？

Jouguet 等人在近期Nature Photonics的文章中，不僅解答此疑問，並且大幅提升CV-QKD的能力。在他們的文章中提到，一個標準通信波長 (1.5微米) 雷射用於產生同調態的亮態雷射脈衝，每一個脈衝被調制成具有高斯分布的振幅與相位並編碼成訊號。使用傳統的光電二極體於一個單頻系統(homodyne system，這個系統的標準架構是讓同調通信系統的信號在相同的頻率下混合以調制或解調制)，研究人員成功達成在80公里的光纖中使用GG02協定展示QKD。這個傳輸長度遠遠超過CV-QKD先前的最佳紀錄25公里。

Jouguet等人做了決定性但違反直覺的觀察：在光束中微弱信號的編碼確實獲得改善的結果。所有的光纖系統中包含很多雜訊源，量子與技術上的光源雜訊以及環境雜訊限制了通信系統可達到的對於加密訊號的訊噪比(signal-to-noise ratio, SNR)。儘管較小訊號傳輸的訊噪比較低，使用GG022的CV-QKD系統的最佳端點與端點效能可在使用相對小的訊號強度下得到，其原因在於將訊噪比大的高斯訊號解碼，難以達到最佳條件的飽和值。結果當較強訊號發出時，發信者(Alice)與接收者(Bob)相較於Eve(竊聽者)處於不利的條件，因為Eve很可能在最佳的比例下竊取資訊。Jouguet等人利用先前被忽視了的低訊噪比下的優勢，使Alice 與 Bob非常接近最佳條件的飽和值，這也使Eve失去了有利條件，因而明顯地增進系統效能。由這個例子可知，是Alice與Bob對於Eve的相對優勢重要，並非是原始資料傳輸率重要。

除了擴大CV-QKD的通信範圍，Jouguet等人也考慮資料區塊的有限大小的效應，以測試對系統安全的影響。對於加密通信資訊安全，普遍來說減少資料區塊的大小，要求會變得更迫切。這是因為QKD需要對於每一個資料區塊獨立計算通道參數，較小的資料區塊導致對於參數的預測有較大的不確定性；為了維持安全性，應使用最悲觀的通道預測，QKD系統使用有限大小的資料區塊，應被假定比預期具有較差的通道效能，而此預期是基於理論上有限大小串流的分析而得。Jouguet等人證明了，在他們的系統中，資料區塊的大小為10⁸或者更大者，對於超過80km傳輸的QKD系統是足夠的。

雖然物理定律原則確保了QKD系統的絕對安全，當理論上的範例轉換成真實的情況，任何實際的運用仍必須經過嚴格地測試，以確保沒有漏洞產生。未來幾年這很可能對於實驗主義者留下挑戰。然而，從這個看法來說，單頻檢測的線性度意味著CV-QKD比DV-QKD來得不易被可以蒙蔽或欺騙光子計數器攻擊。另一個CV-QKD系統的潛在優點是與傳統光纖網有著本質上的相容性。CV-QKD與現在的通信網具有相同的光源與光電二極體偵測器。而且，CV-QKD使用單頻偵測器本質上是寬頻的，因此其與密集分波多工技術(dense wavelength-division multiplexing)具有相容性，這正是一個現代通信系統常用的架構，其中資料可同時利用數個波長通道傳輸來增加整個系統的傳輸容量。

除了安全與相容性之外，關於距離與加密鑰匙的傳輸率對於QKD的商業運用也是重要的關注議題。迄今，最長的實驗距離約250公里，這是在瑞士與中國使用超低損耗的光纖所達成；於加那利群島的大氣中的自由空間傳輸則超過144公里。QKD最高的加密鑰匙傳輸率每50公里1 Mbit s⁻¹。所有的結果均使用DV-QKD系統執行。雖然Jouguet等人的結果並未超過這些紀錄，卻使得CV-QKD實現改良效能的潛力更為彰顯。傳輸範圍上額外的進步很可能可以借助後選擇 (post-selection)技術。

近幾年在QKD最令人印象深刻的進步是令人樂觀期待並吸引大量計畫以建立全球的量子密碼網，可以讓地面站與空中的衛星間進行聯繫。CV-QKD系統是否在未來幾年迎頭趕上DV-QKD系統並成為地面至衛星間QKD的可行競爭者？Jouguet 等人的研究結果顯示這是可能的。