學會公告｜中華民國光電學會

■ 博士班

論文題目：超穎介面與表面晶格共振產生暗模態與連續域內束縛態之研究

學校系所：交通大學 光電系統研究所 

作者：楊振弘                                                                                           

指導教授：陳國平 博士                      

論文摘要：

傳統的光學元件(如透鏡、波片、濾光片等)，已經存在了幾個世紀，而大部分的光學元件都是利用傳統機械式的工法製作，導致元件尺寸以及功能受限。近幾年來，基於拓譜光子學的蓬勃發展以及奈米製程技術的進步，超穎介面(Metasurfaces)以其多元的相位調控與奈米尺度的光學調變贏得了許多研究者的關注。基於其應用面的不同，超穎介面能以金屬材料或是介電質材料來進行製作。以金屬材料來說，由於表面電漿子(surface plasmon)的高侷域電場特性，極小的模態體積被廣泛應用在非線性光學研究、吸收器以及偵測器應用。相對於金屬材料，介電質材料低損耗的特性有利於設計高效率的被動元件，因此被廣泛運用在相位調控以及超穎透鏡(Metalens)上。除了上述兩種材料以外，螢光材料也是被大量應用在主動發光的超穎介面上，但是若需要達到居量反轉(population inversion)，則必須在超穎介面上得到更高品質因子(Quality factor)的共振。

        在超穎介面或是二維陣列奈米結構的研究領域中，表面晶格共振(surface lattice resonance)可以在靠近瑞利異常(Rayleigh anomaly)的波長附近提供更高品質因子的共振。本論文利用表面晶格共振的特性，成功在介電質超穎介面上實現窄頻吸收器、高飽和彩色像素等諸多不同應用。為了更進一步在螢光材料上達成居量反轉，本團隊利用混合表面晶格共振(hybrid-surface lattice resonance)產生法諾共振(Fano resonance)以提升品質因子，成功達到居量反轉產生雷射。並且更進一步利用法諾共振下建設性干涉與破壞性干涉的重疊產生暗模態(Dark mode)，在沒有損耗的情況下，該模態又為連續態中的束縛態(bound states in the continuum)，其無損耗又具有無窮大品質因子的特性，促成低閾值(1.25 nJ)雷射得以在本文中實現。

        本論文以金、矽、氮化矽為主要材料，進行超穎介面的設計與實驗，其中包含金屬超穎介面感測器、金屬-介電質混和超穎介面吸收器、矽超穎介面窄頻吸收器、氮化矽超穎介面高飽和色彩像素結合氮化矽波導，以及氮化矽表面晶格共振下的連續態中的束縛態低閥值雷射。

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■ 博士班

論文題目：自由光學曲面波前調制之液晶光電元件

學校系所：陽明交通大學 光電工程研究所

作者：王毓仁

指導教授：林怡欣博士                      

論文摘要：

本論文提出並驗證了世界第一個具有自由光學曲面波前之電控液晶光電元件。自由光學曲面在幾何光學領域上提供更多的設計自由度，並允許以更少的元件數量來提升可視角、增加景深、或是提升影像品質。自由光學曲面已在擴增實境與虛擬實境光學系統(元宇宙)、量子系統、整合型光學系統、航太光學系統等等中被採用。然而，因自由光學曲面幾何上沒有旋轉對稱軸，其挑戰包含:製造困難、組裝與整合中額外的相位誤差、量測與量化方法還需開發。一個可以將平面波轉換成任意波前的新型態光學元件被高度期待著。本論文從折射率漸變型液晶變焦透鏡長期以來所遇到的物理問題出發，提出並驗證其生成之物理機制，最後成功電控液晶元件光軸之偏轉角度，並以此矯正了一個反射式光學系統的非對稱像差(慧差)。此論文實現的是一個能將平面波轉換非旋轉對稱波前的新型態電控液晶光學元件。基於折射率漸變型態之液晶元件，平面化之幾何結構並在生產製造上相對簡單，也可克服傳統自由光學曲面遇到的挑戰。本論文的研究成果有助於開發與設計自由光學曲面之應用。

在折射率漸變型液晶元件，液晶透鏡的困難挑戰在於大孔徑設計與波前像差之控制。本論文也提供一種非像素化的方法，在空間中擴展光學相位分佈來解決大孔徑挑戰，並允許透鏡區域化且獨立地控制波前像差。此外，因應微型化光學系統的需求，本論文探索了反射式液晶透鏡與液晶元件在斜向入射光下以及不同偏振態下，可用來補償光學系統之偏振像差。在應用方面，擴增實境的視覺輻輳調節衝突挑戰，可利用電控液晶透鏡與電控液晶平行版來調變虛像投影深度。搭配不同的設計，液晶元件可同時提供視力矯正功能與光學變焦於系統中。本論文以系統的角度來探索電控液晶光學元件的設計，其光學相位調制的概念可延伸到不同的應用，如無人載具、衛星影像系統等等。期待本論文能為電控液晶光學相位元件開創新的方向與應用。

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■ 博士班

論文題目：

次毫米發光二極體與閘極驅動電路設計於次世代主動式矩陣顯示器應用

學校系所：國立成功大學 電機工程研究所

作者：鄧名揚

指導教授：林志隆 博士                      

論文摘要：

        平面顯示器已成為落實智慧生活重要的人機互動體驗介面，在眾多種類的顯示器中，液晶顯示器、主動式矩陣有機發光二極體顯示器為目前主流技術，而微米/次毫米發光二極體則逐漸崛起。

        本論文提出三個基於氫化非晶矽薄膜電晶體之閘極驅動電路以提供中低階顯示器具有高解析度畫面，以及兩個次毫米發光二極體驅動電路來降低現有畫素補償電路之功耗，並透過量測數據及元件特性分析來評估所提出電路之有效性。第一個電路為針對閘極驅動電路所提出之低漏電流穩壓架構來降低穩壓電晶體在輸出階段漏電的問題，以避免輸出波形之上升/下降時間的增加。第二個電路則為採用預抬升方式增加驅動電晶體之閘極電壓來改善氫化非晶矽薄膜電晶體電子遷移率不足問題，量測結果說明所提出的方式在不增加驅動電晶體尺寸的情況下可有效地增強其驅動能力，藉此加速電路對掃描線上負載之充放電速度，與現行電路相比其輸出之掃描上升及下降時間可以分別減少45.21%及32.04%。為了更進一步驗證電容耦合方法在閘極驅動電路驅動能力改善上的功效，本論文針對該方法進行了全面的分析，並提出第三個閘極驅動電路，該電路不僅能提升驅動電晶體之閘極端電壓，並同時改善因寄生電容產生時脈饋入而造成非輸出級之驅動電晶體漏電使得時脈訊號延遲的問題，相較於第二個電路，其漏電流可以減少45.45%來改善時脈訊號上升時間延遲的問題。第四個電路則是作為液晶顯示器背光之主動式次毫米發光二極體驅動電路，該電路能在產生一樣的驅動電流及不更改訊號線之電壓準位的情況下，降低開關電晶體之汲-源極電壓，藉此降低背光功耗。與一般驅動電路相比，所提出電路透過減少每個背光源單元之跨壓來降低背光所需之功耗16.67%。最後一個電路則為使用薄膜電晶體匹配補償來去除驅動電流路徑上開關電晶體之次毫米發光二極體畫素電路，並在此詳細分析了現有採用二極體連接及射極隨耦器等架構之畫素補償電路之功率消耗，模擬結果證明相較於現有補償電路，所提出之電路能在較小的跨壓下達到相同的驅動電流，藉此達到降低13%之功耗，此電路也導入一5.23吋、解析度160 × 135、畫面更新頻率120赫茲之面板並點亮，量測結果證明該電路可使面板在255灰階下擁有高畫面均勻性，在亮度1620尼特的白畫面下面板之功率消耗為7.18瓦特。