中央大學的光電團隊擁有極佳的條件成為一流的卓越中心，因為中大已建立良好的跨領域合作研究文化，設置完善的相關研究設備，整合足夠質量的研究人員及擁有最完整的光、電科技學程。未來除了持續加強軟、硬體設備外，將更重視菁英人才之網羅、國際合作之推廣以及國際知名度之提昇。利用教育部五年五億經費，光電領域之研究發展將分短期(前二年)及中期(後三年)二階段執行;第一階段以加強現有績優團隊及建立迫切性共用設施使本校之特色領域能儘速成為眾所皆知之一流中心為目標，第二階段則以符合國家利益及世界潮流且孕育有成之團隊，如生醫光電、能源光電、顯示器及光儲存等領域為對象，以充實本校光學與光電科技領域之深度與廣度。本五年計畫之第一階段(前二年)，重點支持下列研究主題:

此子計畫之目的在發展光纖通訊的有線無線技術，來達成寬頻高速高傳輸率的應用需求。其中有線傳輸技術發展重點，為未來五年10 GHz CPU快速訊號連接所需之光學連接(optical interconnect)技術及其主被動矽光子元件(silicon photonics)。隨著電子元件高度積體化，電性連接在傳輸速度、封裝及能量損耗正逐漸達到其物理瓶頸。因此光學連接技術不僅在電腦與電腦連接，而且在板對板(board-to-board)及晶片對晶片(chip-to-chip)連接等運用正越來越受重視。美國Intel公司對光連接技術發展進程預估，板對板光連接技術有機會在2008年達成在10 GHz的運用，而晶片對晶片的連接技術則有機會在2010年達成在15 GHz的運用。預計在2008至2010年間，個人電腦微處理器的速度可望突破10 GHz。因此如何提昇輸出入介面存取速度，解決電性連結在主機板晶片與晶片間資訊傳輸瓶頸，對資訊產業而言將是一重大課題。為實現光學連接技術，矽光子元件被期待在此領域能扮演重要角色。矽光子元件技術藉由為電子產業的標準矽晶片製程材料及設備，實現各類主動及被動光子元件。然而絕大部分的光子元件是無法與矽晶片技術相容，且各類不同材料的導波元件是以異質構裝(hybrid assembly)技術成為複雜而昂貴的整合系統。矽光子元件技術將可能成為降低成本的選擇，尤其是與CMOS相容的技術。子計畫一的研究主題之一是發展光學連接用的主被動矽光子元件，製程技術強調需與CMOS相容。研究包括使用標準的Si CMOS製程來研究發展可以與成熟的Si積體電路結合的光電接收器，實現低成本和簡單化目標。另外也將研究利用矽光子元件實現光學連接技術，實現各類主動及被動光子元件與矽晶片技術相容，尤其是與CMOS相容的技術。並發展週期性次波長結構之微奈米光學元件，並將此光學元件與矽基光波導積體化。也將利用polymer waveguide material運用於光學連接的光電印刷電路板技術開發。圖一(a)所示為研究主題在光纖通訊的光學連接技術及其主被動矽光子元件的關係圖。而在無線技術上，因為資料傳送率的需求增高，必須提供anytime, anywhere, any media的基本需求。此資料傳送率已經比原來的無線頻譜高許多。所以寬頻的無線網路變成目前很熱門的研究。為了滿足高傳送率的需求，高容量的光纖網路與具移動性高的無線網路結合一起，來達成radio-over-fiber (RoF)的架構。此RoF架構乃是使用光纖網路但其光訊號是以RF調變，在光纖上傳送。此部份可提供毫米波頻段元件與光電研究團隊結合，以達成RoF系統。在此目標上(Wireless Access)，子計畫一中的研究包括發展矽基毫米波頻段單石積體電路應用於30 GHz/60 GHz多重輸入輸出收發機，V頻段微波光子接收系統，一個完整毫米波無線通訊與電波遙測系統。在發射端的研究包括1.55 m 波長高功率近彈道傳輸光電發射器，V-頻段和W-頻段的平面式八木天線和平頂(Flat-Top)通帶濾波器。在元件部份，我們也將對氮化鎵元件運用於微波功率放大器與直流電壓轉換器作深入的探討。圖一(b)所示為參與老師的研究主題在光纖通訊無線技術的關係圖。

圖一(c)則是本計劃的另一大主題，即無線視覺生醫輔具及相關生理參數監測系統之設計與研發，其中眼外平臺部份需藉由一高畫素影像感測器將經外界所擷取到之高解析影像經強化以及一些符合生理方面規劃的編碼後，經光發送機傳送至眼內，依據一些生理文獻記載，若欲使視盲患者能藉由所規劃device達到足夠辨識力，需至少具有1000畫素以上之處理能力，而無線傳輸部份則傳送約1~2 MHz之無調變載波訊號，此兩部份將可分別與眼內模組達成執行良好數據資料收發以及功率萃取之目的。 眼內模組則主要除接收資料數據以及功率萃取外，執行解碼及規劃刺激等後續基頻訊號處理，並於處理後進行適當電刺激對應於不同空間位址以達人工視覺再造之目的，之後，於此部份進行期間，各參數的資料萃取(包含神經訊號反應之紀錄)將會被執行，其後經相關數位化與資料編碼處理後，便可將之傳送，以達成無線雙向傳輸之目的，所擷取之相關參數也將於眼外進行分析，以達除即時監控該輔具運作正確性之外的相關之臨床學理上神經機轉可能變化之探討。 有鑒於台灣半導體技術之成功，以及現今通訊技術及臨床醫學之發達，加以校內資源之充足，以及台灣聯合大學之形成，將可充分整合其資源以體現一具高度競爭力之視覺輔具及即時生理監控平台之研發。

(a)

(b)

(c)

圖一、子計畫一中各研究主題的關係圖，(a)訊號連接所需之光學連接技術及其主被動矽光子元件，(b) 無線寬頻通訊技術關聯圖，(c)無線視覺生醫輔具及其即時生理參數擷取系統架構

就如同乾淨的水和空氣一樣，光對人類生活的影響之深不可言喻，它直接或間接地影響了人的生活方式、品質以及生活環境。在追求更乾淨、更有效，及更智慧的光源趨勢下，以發光二極體作為固態照明的光源已是各國極力推動的能源政策之一，無論是美國、日本或歐洲主要國家，整合產、官、學、研的大型計畫在1997年後均已陸續推出，對於發光二極體之發光效率技術路程亦作了中長期的規劃。中央大學光電研究中心，歷年來執行國家尖端計畫-氮化鎵藍光LED及雷射之研究，在硬體設備有MOCVD、MBE等磊晶成長儀器，除了半導體磊晶設備外，本校還有電子束微影、離子佈植及電子顯微鏡等大型的半導體製程及量測分析設備，這些建設可以顯示本校在光電半導體專長領域發展所投入的心力；目前為止，本校已具備豐富的半導體元件及光學元件製作、設計與量測經驗，此外，在高功率、高亮度LED之固態照明的發展上，LED元件之熱管理分析及封裝散熱技術是為極具重要性的議題與技術瓶頸，本團隊也整合化材與機械各領域的經驗和技術專長，為LED元件發展方向上提供製程與設計上之最佳解決途徑，另一方面，LED磊晶內部及外部之光學模擬的能力亦是為相當關鍵的角色，在此本校之光學設計更是國內首屈一指，本研究團隊更具有國內最優異的LED光學模型能力；這種高度垂直整合的研究團隊如圖二所示，在國內產研學界獨一無二，因而在94年獲得經濟部工業局的學界科專計畫，以四年約一億元的研究經費將LED的發光效率提升至120lm/W的水準。本團隊雖然在軟硬體設施方面皆已具備相當的基礎，但卻在封裝上缺乏有效的研究重心而使研究的垂直整合度上出現缺口，由於LED之封裝在出光效率、光學分布、散熱特性與可靠度等議題上在我國工業界上極待學術界的支援，因此，本計畫將未來五年的研究目標訂位在發展LED之封裝在出光效率、光學分布、散熱特性與可靠度上之專業技術之發展，目標為成為我國在LED照明界的指標性研究單位，媲美如美國之Rensselaer Polytechnic Institute 之 Lighting Research Center，以學術的發展為基礎，提供我國LED照明相關產業堅強的支援。本計畫的執行需要添購LED特殊封裝的實驗型設備與包括光性、電性與熱性的完整的量測設備。

圖二、本校固態照明科專計畫研究團隊分工圖

(一) 單光子光源
單光子光源是量子資訊應用到量子編碼及量子計算所需要的光源，也是近代發展奈米光電的重要元件。單光子的發射原理是應用孤立量子能階間的輻射，這些量子能階包含單原分、子、單缺陷中心及單量子點。其中半導體單量子點最受到重視，這是由於半導體量子點易與傳統光電元件匹配，實際應用潛力較高。
量子點單光子光源發展於2000年，為了增強發光效率，量子點光源必須放置在共振腔內，目前已經研發成功的單光子共振腔共有三種：微型圓盤、微型柱體及光子晶體奈米共振腔。其中光子晶體共振腔的體積較小，光源容易與腔內電場產生作用而改變發光特性（此即Purcell 效應），是研究量子光學的重要議題。中大奈米光電團隊接受國科會奈米國家型計劃的補助，製作單光子光源及研究其相關物理特性，最近製作完成光子晶體共振腔的單光子光源。這個光源的特色是放置低密度量子點於光子晶體共振控，使奈米尺度的共振腔內只包含一至二顆量子點。因為量子點數量少，以致於製作光源的單光子輻射與共振腔耦合效率可高達92%，再加上共振腔特有的偏光特性，單光子輻射具有95%的偏光度，是目前最適合於量子編碼應用的光源。本計畫擬結合奈米技術與量子光學理論製作高品質單光子光源，成長新的光源材料，研究單光子輻射的物理特性及單顆量子點與共振腔的電動力學效應。在元件方面，發展單顆量子點在共振腔內的位置及波長控制，可提昇光子晶體共振腔的製作品質，是發展奈米光電的重要技術。在基礎物理方面，探討各種不同材料單光子輻射的不可分辨及逆成束特性，可應用於量子資訊，量子資訊是目前科技的重要研究項目。本計畫的執行將提供一個高品質單光子光源於量子資訊，尤其是量子編碼的應用。

(二)單電子電晶體
量子資訊是當今重要的研究課題之一，其中的量子編碼與量子計算對於未來的通訊與量子電腦技術的發展扮演著極關鍵性的角色。隨著積體電路元件尺寸持續不斷地縮小，預估在2020年將進入量子效應區域(約10奈米)。此種奈米元件經整合積體化後所製作成的電腦稱為「奈米電腦」，但其運算仍然依循傳統電腦的操作原理0與1，因此運算速度將受限於元件的尺寸大小與製程技術。所謂的「量子電腦」係採用量子糾結法則為運算方法的奈米電腦，其運算原理有別於傳統電腦的操作模式，它具有平行處理運算的能力，因此在處理大量資料搜尋與計算時速度遠遠快於奈米電腦。量子電腦的發展目前以核子自旋共振及固態系統為實現量子訊息的主要技術，核子自旋受限於其微弱的自旋訊號，不易實現大型的量子電腦。固態系統包含超導體與量子點，超導體配合局部微磁場有實現量子電腦應用的可能，但局部微磁埸產生不易。最近發現量子點可應用在量子電腦元件，尤其是利用單電子元件的庫倫阻斷效應使僅有單一或極少數個電子得以自源極通過奈米量子點到達汲極，不僅可精確控制導通電子數目更可藉此讀取量子點內的電荷訊息。因此對量子電腦技術的發展而言，單電子電晶體則被公認是最有能力來讀取量子訊息的最小元件。目前單電子效應之研究，在材料上約可區分為：金屬、超導體及半導體材料。基於製程與可調變性的考量，其中以半導體材料的基礎與應用研究最為廣泛。有鑑於此，本研究團隊擬以自聚的方式來成長半導體量子點並製作單電子電晶體，以實現量子電腦應用。
本計畫擬結合奈米製程與量子理論模擬及計算，研究可在室溫(或更高溫度)操作的矽基單電子/電洞電晶體與其相關奈米量子訊息儲存元件的製作及物理特性，作為往後持續探討單電子/電洞電晶體電路特性的基礎。主要研究課題有三項:(1) 奈米鍺量子點， 我們擬利用選擇性氧化單晶矽鍺的方式來製造鍺量子點，有系統地利用穿透式電子顯微鏡與x射線繞射等方法來分析與歸納各個製程參數，並從而建立穩定形成奈米鍺量子點的最佳化製程條件。(2) 單電子/電洞電晶體，我們將計算單電子/電洞電晶體的穿隧電流如何被閘極電壓及汲極電壓所調變，研發製作單電子/電洞電晶體所需的關鍵奈米製程技術，以利製作可於室溫或更高溫度下穩定操作的單電子/電洞電晶體。量子點尺寸大小的掌控、元件的佈局、閘極設計與如何有效地降低寄生效應如閘-源極/閘-汲極電容與阻值是研究重點。(3) 量子點邏輯與儲存元件， 我們將實際製作偶合奈米量子點做為基本量子訊息儲存單元及整合奈米偶合量子點與單電子電晶體，藉由量測單電子電晶體的電流-電壓特性曲線的偏移量來檢測鄰近偶合量子點的狀態。

(三) 光子晶體元件
光子晶體的發明人E. Yablonovitch (UCLA) 認為最近光子晶體的尺寸已經與電子元件相當，應該是進入光子元件與電子元件結合的年代。因此發展光電晶片，積體化光網路器具於同一晶片上的光子晶體全光計算基本單元已成為現在奈米光電的研究主軸之一。本計畫擬整合理論、設計、製作及量測，將研究方向朝向開發奈米級光子晶體全光積體回路關鍵元件，建構全光積體光路，以應用於未來全光腦計算當中。本計劃研究課題共分為四項：「光子晶體積體光回路之光源研究與波導之研製」、「光子晶體積體光回路之波導研究」、「光子晶體光回路之邏輯元件研究」及「光子晶體積體光回路之可調式元件研究」。分別負責開發光子晶體光回路中的奈米級光源、波導、邏輯閘與可調式元件。未來兩年預計完成量子點光子晶體面射型雷射、大彎角波導、光子晶體全光邏輯閘、光子晶體波導極化控制器、光子晶體全光二極體原型、可調式光子晶體環形共振腔。

(四) 量子元件
利用砷化銦量子點製作長波長量子點雷射是極具應用價值的研究主題，過去幾年，我們已成功地製作光纖通訊用1.32 m量子點雷射，其內部量子效率(80 %)及起振電流密度(每層30 A/cm2)皆為世界一流水準之成果。未來量子點雷射研究的重點，將是利用量子點優秀的載子動態特性實現其在高頻光通訊的應用，此外延伸量子點雷射的波長至1.55 m及發展適用於高密度波長分工之光通訊用雷射，以期量子點雷射能全面取代現有的光纖通訊用雷射。為了實現全光式網路，除現有的量子點雷射外，量子點光放大器亦為重要元件，傳輸、放大、交換以及處理的過程全部以光的方式進行，提供電信及資料系統更高速、更大傳輸容量。量子點光放大器的研究，首重高頻操作特性，此特性遠超越現有量子井光放大器，我們將設計新穎結構以實現高性能的量子點光放大器。此外，我們亦將發展另一個全新的量子點應用領域-太陽能電池，為了解決日漸嚴重的能源危機，太陽能電池在此時成為最重要的替代能源之一，現今的市面上的矽太陽電池，效率通常只有15-20% 左右，利用一般化合物半導體所製作的太陽能電池，電池效率大約會有接近兩倍的提升。我們將利用砷化銦、氮化銦或氧化鋅等系列量子點材料來發展太陽能電池的技術，預期利用量子點特有的反歐傑現象可以使太陽電池的轉換效率超過65%。
放置金屬奈米粒子於光電元件表面，以強化發光強度及速率是目前提昇量子元件很重要的技術。金屬奈米粒子產生的表面電漿效應，除影響發光機制亦可強化觸媒反應對元件製作有重要影響。本計畫擬以電化學方法製備具明確大小及組成的金屬奈米粒子，並研究粒子在材料表面的催化劑聚集現象。同時我們亦利用超高真空氣象沈積法成長奈米金屬微粒，並運用各式表面探測技術嚴格掌控奈米金屬微粒的尺寸及結構，以觀察材料表面吸附及觸媒現象。

本校與台達電從事產學合作，不但解決產業問題，開發新技術，而且激發新的研究方向。由於有最先進光學薄膜技術的支持，本期已研發出包含下一代高品質雷射光源、色彩科技與應用技術、投影顯示器非極化光學元件、薄膜太陽能電池材料等，茲詳述如下：

◎下一代高品質雷射光源：所謂下一代光源係指高效率、高亮度、可供多重應用使用之全固態波長可調變雷射光源。目前美歐日韓皆已或正要投入此新的光源開發，尤其是在挑戰性較高的藍綠光波段。由於五年五百億的挹注，使得中央大學光電系耕耘多年的新型雷射、非線性光學科研技術及薄膜技術能夠加以整合，完成全固態波長可調變雷射所需之關鍵技術，而帶動了產業參與的意願。

◎色彩科技與應用技術：在與人類視覺有關的顯示技術與照明技術中，色彩科技及其應用技術是提升其技術層次相當重要的研究。目前我們利用光學薄膜技術結合色彩科學，可以調整顯示器或照明光源的色彩與色溫，在Orlando Florida 2006年LRO 6th International Lighting Research Symposium on Light and Color國際會議發表中已證明本校成果可媲美美國NIST及國際上知名之相關研究單位如日本Department of Engineering, Chiba University(研究重點在於彩色影像處理、色彩管理系統、並開發下一世代智慧型影像處理技術)；美國Munsell Color Science Laboratory, Center of Imaging Science, Rochester Institute of Technology(研究重點在於色貌模型的建立、Munsell 標色系統、色彩管理系統)；Colour & Imaging Group, 英國Department of Colour and Polymer Chemistry, University of Leeds(研究重點方向在於色彩量測標準的建立，尤其是色差公式、人類視覺、與數位影像分析等技術)；瑞典Natural Colour System, Scandinavian Colour Institute (推廣、建立NCS色彩標色系統)。

◎投影顯示器非極化光學元件：投影顯示器中不可避免得要用到非極化光，其中非極化光學元件是其光學引擎中最為關鍵的元件之ㄧ。目前中央大學光電所協助台達電子開發各項投影顯示器非極化光學元件，其成果可媲美世界知名的薄膜元件製造廠CVI、Umicore、JDSU、Barr Associates, Inc.等，且已可進入量產階段，預計將能為台灣的顯示器產業再加上一塊新的領域。

◎薄膜太陽能電池材料：目前中央大學光電系與台達電合作，針對薄膜太陽能電池材料進行研發。當發展環保能源科技已成為二十一世紀各國研究重心，其中開發再生能源中的太陽能，一直是視為各先進國家矚目的焦點。太陽能電池當中以薄膜化製作最簡單，最有機會普及化，薄膜太陽能電池製作主要使用plasma enhance chemical vapor deposition (PECVD)的方式沉積微晶態矽(μc-Si:H)薄膜，但其成本一直高居不下。因此我們發展physical vapor deposition (PVD)製程技術及微晶態矽薄膜之光電特性量測技術，使用PVD製程設備來製作μc-Si:H薄膜，除了可望降低成本外，另外還有薄膜沉積速度快、製程參數易控制、危險性低及有利專利技術開發等優點。目前能夠以PVD方式製作微晶態矽薄膜的只有日本Toyota Technological Institute及澳大利亞等少數單位有技術能力，中央大學將藉助五年五百億的挹注而提升到與上述世界研究單位同一等級。