本所5月份演講公告：

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

【之五】

撰文：光電所碩士班 陳以佳

開學前的小確幸

先前文章提過，我們為了早點安頓下來，提前了一個月抵達比利時，這段空檔剛好讓我們有機會在開學前瘋玩一場。說到留歐必備，FB上的「臺灣歐洲交換社團」絕對是首選，裡面從徵旅伴、沙發換宿到各種疑難雜症的求助應有盡有。那時，跟我們一起參與MSPE計畫的中山大學同學就在社團看到兩位前往德國交換的臺灣學生在徵旅伴。巧的是，我跟那位來自中山大學的女孩都有駕照，可以一起租車出遊，我們五位就這樣「一拍即合」。這是我第一次在國外與陌生人組團出遊，雖然事後看到不少社團災情，像是被放鴿子或金錢糾紛，才知道這種事真的很看運氣，但我們這團不僅配合度極高，彼此包容度也很好，到現在都還是會互相聯絡的好朋友，現在回想起來真的覺得非常幸運、難能可貴。

決定去德國後，大家馬上組了Line群組分配工作。我們MSPE三人組負責從比利時租車出發，在此提醒大家：在國外租車，除了國際駕照，臺灣本國駕照也一定要隨身攜帶，租車公司會查驗才能取車。另外，強烈建議透過知名的第三方平台租車並把保險保好保滿，發車前更要錄影存證車況，才能無後顧之憂地享受旅程。

這趟旅程我們走的是「山水風」，重點站就是德國西南部弗萊堡（Freiburg）大名鼎鼎的黑森林。前往路途中，我們總算體驗到傳說中的「無速限高速公路」—雖然很省時間但真的有點恐怖，我記得我們都開到時速150公里了，卻還是公路上最慢的那台，一直被後車超過去。

一抵達黑森林，眼前的景象真的讓人震懾。高聳茂密的針葉林與霧氣縈繞的清新空氣，隨便拍都像在婚紗場地取景一樣壯觀。當天天氣剛好不錯，涼爽的空氣中偶爾有陽光穿透樹林，如同一道道曙光射入，美得令人窒息。穿過森林後，則是一望無際、起伏有致的草原，點綴著幾座獨棟木屋，活脫脫就是走進了童話場景。我們還在森林外的餐廳品嚐了正宗的「黑森林蛋糕」，外觀雖然跟臺灣差不多，但風味上多了極其濃郁的酒香，非常紮實。

離開森林後，我們順路拜訪了一間咕咕鐘專賣店。這間店非常有特色，大門外就有一座巨大的咕咕鐘。店內展示了從微型到巨大尺寸、造型各異的手工鐘，結構精巧得令人讚嘆。最吸引人的是，老闆說只要購買都有終生保固，而且連臺灣都有保固點，這點真的讓我們差點忍不住想搬一個回家。最後想跟大家分享一張弗萊堡舊城區的街景，舊商貿大樓的紅白色外牆與哥德式建築是當地的特色，我們還路過了僅存的中世紀防禦城門「馬丁門」。有趣的是，這座古老拱門下方的店面現在竟然是麥當勞，而且市區輕軌依然會頻繁穿越這個窄門，所以我們拍照時真的要非常小心交通安全。

這趟旅程停留了許多地方，是我第一次深刻感受到歐洲大陸的遼闊，以及被中世紀街景包圍的震撼。第一次獨立與不認識的人合作排行程、安排國外的交通與住宿（雖然後來發現這對歐洲人來說只是家常便飯），這些新奇又興奮的體驗對我來說，就像是又「長大一階」的成年禮，也為開學前的空檔畫下一個完美的句點。 【精彩內容，下期待續～】

撰文：光電所碩士班 林宇凡

五小時車程外的巴黎文藝之旅

巴黎離根特（Ghent）非常近，大約搭乘客運五個小時就能抵達，與從高雄到臺北差不多，因此就成了我假日休閒時常去旅遊的城市。並且巴黎也是一個歷史悠久的城市，在市中心有一個河中島（西堤島）更是文化的精華。像是聖母院（Notre-Dame）、聖禮拜堂（Sainte-Chapelle）、巴黎古監獄（Conciergerie）等等都在這座島上。其中聖母院更是巴黎文化的象徵，雖然在幾年前慘遭祝融，但歷經幾年的修復，仍不減它所代表的哥德式建築的美麗。

在河中島的兩側就是著名的羅浮宮和奧賽博物館。羅浮宮我去了兩次，其藏品之多根本看不完，涵蓋範圍從史前時代到啟蒙運動，從歐洲到東西亞應有盡有。其中更是有許多必看文物，例如「人類最有名的畫作」《蒙娜麗莎》就館藏於羅浮宮。可惜的是看的人實在是太多了，每次都只能匆匆看一眼就得離開，且因為安保的緣故始終隔著一段距離，無法靜下心來好好欣賞這幅達文西最愛的畫。

欣賞完羅浮宮中的文物，我們往南邊走，穿越塞納河，抵達傳說中的巴黎左岸，體驗巴黎的文藝氣息。一生只能考三次的巴黎美院（Beaux-Arts de Paris）就在這裡，依靠著美院有一整條街的藝廊，聽說能在這裡開藝廊也算是一種人生成就，雖然那些展品我是看不太懂。左岸河畔在上午時，還有許多綠色鐵皮，像是垃圾桶一樣的物體安裝在人行道旁，一到了下午就會展開它的真面目，原來它是一間一間的舊書攤（Bouquinistes），還有賣一些舊海報等等舊物，充滿了文藝氣息。

這趟旅程最後，如果不去艾菲爾鐵塔附近走走，總覺得少了點儀式感。看著那座鋼鐵巨獸在晚霞中逐漸亮起金黃色的燈光，我不禁感嘆，巴黎就是這樣一個矛盾卻又和諧的地方：它既有島上沉重的歷史積累，又有左岸那種隨性的藝術浪漫。

雖然客運回程又是五個小時的車程，或許會讓人感到些許疲憊，但每當想到能暫時逃離日常，置身於這座連空氣都散發著舊書卷與咖啡香的城市，這點距離也就顯得微不足道了。巴黎對我而言，不只是一個地標或是一系列博物館的堆砌，而是一個隨時張開雙臂，等待我去發掘下一段故事的老朋友。【精彩內容，下期待續～】

高速攝影機輔助運動訓練

Professor Yuh-Renn Wu's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 吳育任教授

利用多台同步高速攝影機拍攝投手動作，進行生物力學分析關節活動與肌肉發力狀況預防受傷、分析與訓練。此技術也用於拍攝投球軌跡，分析球路、球速與轉速以增進球質。

在臺灣，棒球是最受歡迎的體育競技之一，許多球員都是從國小時期開始接觸棒球並成長為職棒選手。然而若長期不當操練，選手容易造成不可逆的傷害，尤其許多高中投手因為手臂傷勢被迫調整投球姿勢，最後在畢業後已嚴重受傷被迫放棄成為職棒選手。有鑑於此，臺大、臺灣體大組成團隊，開發高速攝影機肢體辨識並整合物理治療與生物力學分析開發了輔助訓練系統，希望可以低成本方式普及傷害預防與運動科學。在團隊的分析與調整下，時年已24歲的陳柏安成功在兩個月內將球速從時速133公里提升到時速143公里，並被味全球團收為自培選手（人間福報，2024-09-10）。團隊中由吳育任教授所主導的子計畫專注於開發無標記式肢體3D重建與球路重建，採集運動數據以供專業教練與防護人員分析。

傳統上採集關節活動數據需要在關節處皮膚上貼上反光標記並在周圍架設多台紅外線攝影機追蹤標記的軌跡，然而在劇烈運動時標記可能會脫落且活動範圍越大需要越多台紅外線攝影機。本團隊採用長焦高速攝影機拍攝肢體動作後使用肢體辨識AI模型（例如YOLO），可以將攝影機架設在棒球場的觀眾席上拍攝投手且不影響比賽進行。多台攝影機從不同角度拍攝選手動作得到關節點的二維座標，兩兩組合透過三角測量（Triangulation）還原出三維座標（圖一），並從組合中選出三維位置投影至相機二維座標誤差最小的組合。然而模型經常混淆相似的關節，尤其是該關節被遮擋時尤為容易發生，且不可避免的模型判定位置會抖動。本團隊開發了超採樣去除雜訊算法（圖二），先將原始數據點透過有限脈衝響應（Finite Impulse Response, FIR）將資料速率提高後找出局部極值並從中選出正確的軌跡，排除可疑之數據點後再透過低通濾波器得到平滑穩定的軌跡。此方法對於短時間的連續抖動十分有效，也大大的改善了三維重建精度。後續透過將高品質之三維座標輸入逆運動學計算人體關節活動與肌肉發力可以得到精準的骨架運動軌跡並投影至影片上，供教練或是運動防護員分析（圖三）。

球路重建方面，棒球投球時球的轉速（Revolutions Per Minute, RPM）與球速是影響球路表現的關鍵物理量。高轉速的球因馬格努斯效應（Magnus Effect）產生較大的氣動偏移力，是造成曲球、滑球等變化球路的主因。傳統量測方式仰賴雷達測速儀或專用旋轉感測器，設備昂貴且不易普及。本研究針對棒球場景自行訓練YOLO目標偵測模型，自動追蹤高速影片中的球體位置並裁切出每幀對應的球體影像（圖四），做為後續分析的基礎。

轉速量測基於一個核心假設：球旋轉一圈後，球表面紋路（縫線）會回到初始狀態，連續幀之間的影像差異因此達到局部最小值。系統透過分析連續幀之間的影像相似度，並以超採樣大幅提升時間解析度，從而精確估計旋轉週期並換算為每分鐘轉數（圖五）。球的旋轉軸決定了球路偏移的方向，是教練分析投球品質的重要依據。本研究將球體表面映射至單位球面，對均勻分布於候選方向的轉軸逐一計算球面旋轉後的像素預測誤差，搜尋使誤差最小的轉軸方向並進一步精確化，最終還原出投球時的旋轉軸，與使用都普勒回波測量求轉速的商用系統相比，我們成功用低成本的方式達到非常高度相關的結果（圖六）。球速量測需要將像素座標還原為真實世界的三維位置，因此須依賴相機標定所得的內參矩陣。本研究以相機焦距與球體已知半徑估計球在鏡頭前的深度，還原球的真實三維位置，進而計算出每幀之間的位移與時間間隔，最終輸出球速（km/h）。最後結合球速、轉速與出手點，計算馬格努斯力、重力與空氣阻力可以預測球的完整軌跡。與需要在本壘板前放置儀器的商用系統相比有接近的結果（圖七），且攝影機可以架設在不干擾投打之觀眾席，價格也相對親民。

Reference:

[圖一] R. Hartley and A. Zisserman,“3D Reconstruction of Cameras and Structure,” in Multiple View Geometry in Computer Vision, Cambridge: Cambridge University Press, 2004, pp. 262–278.

Sidewall Optical Leakage and Scaling Limits in Sub-20 µm AlGaInP Micro-Resonant Cavity LEDs

Professor Chao-Hsin Wu

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 吳肇欣教授

We are delighted to present some of the latest developments that have been made by us in the field of advanced AR displays and VLC systems. Our research explores the optical properties of the AlGaInP micro-RCLEDs with dimensions below 20 µm and operating at 620 nm. [1]

Through our experiments, we showed that micro-RCLEDs with 13×20 µm² have strong spectral narrowing (FWHM < 10 nm) and excellent current-dependent wavelength stability. The reason why we observed unexpected high divergence in the far-field measurements turned out to be sidewall emission, which was proved by using hybrid optical model involving transfer matrix method combined with geometric optics. Indeed, as mesa size is smaller than the optical recycling length, the emitted light from lateral cavity modes cannot be absorbed any longer.

This demonstrates an inherent scaling compromise between vertical confinement of the cavity and directional emission of the beam. The essential requirement to overcome this problem is thus to implement appropriate sidewall emission control schemes for micro-RCLEDs of high-resolution applications. Our simulation results show that by using a sidewall mirror made of gold (Au), we can mitigate lateral escape and redirect photons forward, leading to a remarkable enhancement of light coupling into a ±20° acceptance cone AR waveguide, increasing the coupling efficiency (η_20°) from 8.4% to 20.0%.

Reference:

[1] N. Prechatavanich, M.-J. Wu, C.-W. Huang, C.-K. Yee, T. Sutheebanjerd, Y.-T. Tseng, Z.-A. Lin, Y.-H. Chen, K.-H. Lin, C.-C. Wu, and C.-H. Wu, "Sidewall Optical Leakage and Scaling Limits in Sub-20 µm AlGaInP Micro-Resonant Cavity LEDs," 2026.

— 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、郭權鋒 —

量子光子網路的擴展之道

利用多模光纖與空間光調制器進行模態混合與映射，構築起兩個孤立量子網路之間的橋樑，從而以量子連結方式將遠距節點相互聯繫。

量子網路展現了將遠距量子裝置相互連結的潛力，藉由超越古典物理的非局域效應，開啟了從分散式計算到高靈敏度感測等多樣化應用的可能性。量子態的共享糾纏雖然是實現量子網路獨特能力的核心推動力，但其本質上極為脆弱，因而對節點間的傳輸品質與元件保真度造成了嚴苛要求。儘管近年在提升節點間距離與使用者數量方面已有進展，相關挑戰仍然存在。

尤其是，傳統網路中常見的隨選路由（On-demand routing）與訊號放大等功能，往往會降低量子態的保真度並破壞糾纏，這種效應在網路節點數量或編碼資訊量增加時尤為顯著。隨著網路規模的擴張，維持高保真度的需求導致樞紐複雜度呈二次方增長，凸顯了逐節點擴展的主流架構在概念驗證之外缺乏實用性。近期，Natalia Herrera Valencia 及其同事在 Nature Photonics 撰文提出一種替代性架構，能在保持量子網路核心功能的同時支援可擴展性[1]。

研究人員在先前的工作中，已展示了透過多模光纖傳輸高維度糾纏，並利用傳輸矩陣方法解碼模態混合的成果。隨後，他們提出了一種逆設計框架，能夠利用此類介質中的複雜模態混合來實現任意且高保真的線性光學電路。如今，Valencia與其同事提出了一個可重構的8×8多埠光子元件，將兩個彼此孤立的四使用者量子網路互聯為統一架構，並在任意兩節點間實現高保真的交互。

在其方案的核心思想中，研究人員提出以建設性的方式利用多模光纖中的模態混合，將一段僅30公分的光纖有效地轉化為可程式化的光學混合器，能夠生成輸入態的疊加。該互聯樞紐（見圖一）並非僅一次接受一對糾纏態，而是並行地利用空間模態，使得某一子網路中所有節點的資訊皆可包含於單一高維度糾纏態之中。

當光纖被置於由空間光調制器（SLM）實現的可程式化相位平面（P1–P4）之間時，輸入態在傳輸前後皆受到調制，這種調制方式與光纖的模態混合相互補充，從而生成目標變換。這些變換被稱為量子閘，用以操控量子態，其作用類似於古典計算中的邏輯運算。

其方案的一項核心功能在於糾纏態的路由。在單一子網路層級以及互聯網路架構中，Valencia與其同事皆成功實現了糾纏態的共享。不同模式之間的切換無需更換硬體，只需在空間光調制器上施加新的相位圖樣，即可完成，凸顯了該網路的靈活性與軟體定義特性。

以相同的軟體支援方式，研究人員展示了量子網路的一項獨特功能，即「糾纏交換」，這也是量子中繼器的核心協定。Valencia與其同事將其光學電路程式化，以在兩個獨立通道上同時執行貝爾態測量。此操作使得子網路內的糾纏態坍縮，並在統一網路中重新建立跨越遠距使用者的糾纏態。研究人員觀察到，分屬不同子網路的使用者對之間能以超過77%的保真度形成糾纏態，從而確認了多工糾纏交換的成功實現。

對於多模光纖在光子應用中的使用，一項常見的批評在於其對環境擾動（如彎曲或溫度變化）高度敏感。然而，Valencia與其同事展示了其系統在未重新對準或重新校正傳輸矩陣的情況下，能在兩週之期間維持高保真度。此種穩健性顯示，若結合標準封裝技術，該類元件有望在真實環境中部署，作為可重構的量子光子處理器。

然而，目前仍存在一些限制阻礙其實際應用。首先，重構速度受限。空間光調制器中所使用的液晶通常僅能在赫茲至千赫茲的速率下刷新。未來的動態量子網路可能需要兆赫或吉赫（megahertz or gigahertz）等級的切換速度，以便在路由量子封包時達到具實用價值的吞吐量與連結性。透過以更快速的調制技術取代液晶，例如數位微鏡器件或整合式光學相位陣列，或可實現此一升級。其次，插入損耗仍是關鍵因素。雖然光纖本身幾乎無損，但元件間的耦合效率會引入不可忽視的損耗，進一步降低端到端的效率。

本質上，Valencia與其同事展示了看似普通的多模光纖，這是一種普遍存在且低成本的光子元件，然而在此亦可被利用來執行高效且可重構的量子資訊處理。此項工作提供了一種創新的網路架構，作為傳統整合光學架構的替代方案，為靈活且可擴展的量子網路開闢了有意義的途徑。儘管未來仍存在其他挑戰，例如透過開發高維度量子光源與具備更多空間模態的可程式化電路來推進更大規模的網路，但利用多模光纖內在的模態混合過程，仍展現出一條與現有通訊基礎設施相容的全球量子網路的可行路徑。