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本系介紹

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共同筆記 / 現況與未來發展

光電科技
      審視現代科技之特質可發現光波極適合於訊號傳送與顯示,電子元件在計算方面有其優勢,微機械元件則頗適合作為與外界溝通之橋樑。光電是結合光學、物理、化學、材料、與電機的跨領域學門,目的在發展新奇材料與元件結構以增強光子與電子耦合效率,以建構運用光子之科技。近四十年來,平均每十年諾貝爾獎就頒給從事光電相關研究的科學家,可見光電科技將是未來科技的重要推手。
 
一、光電科技與交大光電工程學系
雖然許多光電科技仍在探索階段,然展望其發展趨勢,可預期:(1)光子將可應用於操控合成新奇材料與
製作元件;(2)光電科技將用於大幅增強光子與電子耦合效率,實現超高亮度LED和雷射,對人類社會節能之
迫切需求產生實質貢獻;(3)光電科技會進一步改變人類社會交換、顯示與儲存訊息之方式。
利用光子操控合成新奇材料與製作元件不但可大幅改善目前以熱平衡方式合成材料與修飾材料特性之能源
使用效率(thermal budget),而且可用於合成熱平衡方式不易製造之新奇材料。圖一所示為交大光電系所建立
之高 功率飛秒雷射核心設施(左圖)和利用此設施進行材料退火與雜質活化之機台(右上)與實際進行之退火過程
(右下)。經此操作後非晶矽薄膜之退火晶粒尺寸、載子傳輸速度與雜質活化均大幅改善,有助 於太陽電池、
顯示驅動與影像記錄所需之薄膜電晶體性能改善。
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圖一、交大光電系所建立之高功率飛秒雷射核心設施(左圖)和可利用此設施進行材料退火與雜質活化之機台(右上)與實際
進行之退火過程(右下)。
 
     光電科技亦可用於增強光子與電子耦合效率,產生更有效控制輻射之能力,使電激能量能有效轉換成我們所需特性之超高亮度光子。 圖二所示為交大光電系師生利用奈米製造技術所研發出之high-Q、腔模體積大、高旁模抑制比光子共振腔雷射(左圖)和世界第一枚藍光面射型雷射 (右圖)。此類利用奈米科技付予材料新功能,更進一步改善元件性能之研發,可作為以光電科技增強光子與電子耦合效率而實現高效率光子元件之具啟發性實例。
 
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圖二、利用奈米製造技術所研發出high-Q、大腔模體積、高旁模抑制比之光子共振腔雷射(左圖) 和世界第一枚電注入式藍光面射型 雷射(右圖)。

    據統計,2003-2007年全世界光電產業的平均成長率都在10 %以上。預估未來幾年的全球光電市場仍會持續以兩位數的速度成長,到2007年時全球光電產業產值可望突破2668億美元。國內光電產業的發展現況,據光電科技工業協進會(PIDA) 統計,2006年台灣地區光電產業總產值達12744億元新台幣,比2005年的11518億元新台幣增長11%,占全球光電市場的13%。其中光電顯示器 產業 占總產值的64.6%,光儲存產業占總產值的18.6%,光輸出入產業占總產值的7%,居台灣光電產業六 個主要分類的前三位。 台灣是全球光電產業重鎮,光電產業近十幾年來一直以超過15%的高速度增長,預估到2009年產值可達 18413億元新台幣。

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                                                  圖三、近十年台灣地區光電產業總產值遞增圖
 
二、交大光電系的研發成果
     交大光電系秉承追求教學與學術卓越的理念努力耕耘,20年來培育的光電博、碩士近一千名,分佈於國內外學術界、科研機構及產業界,表現優異已成為各界光電研發菁英。光電工程學系現有專任教授29位,以一系多所方式整合,除大學部外,目前有光電研究所與顯示科技研究所。
本系積極執行大學學術追求卓越發展計畫、國家型奈米計畫、與經濟部學界科技專案計畫。過去五年透過這些計畫的執行,交大光電系與其他學校系所展開密切合作。有鑑於優秀的人才是發明新技術、開發新產品與開創新產業之基礎,因此交大光電系將繼續秉承追求教學與學術卓越的理念,和其他大學與科研機構共同推動光電教育和研究,以期成為國際級的光電科技和前瞻產業研發育成中心。本系光電學術發展與其貢獻略述如下:

(I)  光電科學
光電科學研究在交大已有四十年歷史。包括氣體雷射 (1965年,圖四)、面射型半導體雷射(2005年,圖四)、全像術與光訊處理 、液晶 、磁光儲存、光固子通訊、飛秒雷射與兆赫輻射科技等台灣最早的光電研究都是從交大開始。其中液晶科學研究更是促成近幾年來臺灣高科技產業液晶平面顯示器的蓬勃發展。光電科學已是全球性研究活動,無區域之分。故近年來交大光電系光電科學研究在教育部大學追求學術卓越計畫支持下,朝向前瞻光電科技領域發展,以期再精進交大光電系與國際合作競爭能力。在此精進計畫下本系五位專任教授與二位合聘教授已榮獲美國光學學會會士。圖一和圖二所示為先進雷射科技和奈米光電元件研發方面的一些成果。
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圖四、(左圖)1965年交大雷射實驗室與王興宗教授之氣態雷射研究;(右圖)2005年交大發表全世界第一枚面射型藍光雷射。
 
(II)  光通訊
交大光電所在祁甡教授帶領下是臺灣最早進行光纖通訊、光纖放大器、及光固子理論等相關研究。祁教授所指導的研究生也形成早期國內光通訊的主要研究人力,成為國內發展光通訊產業的主力。2000年交大光電所開始執行教育部大學追求學術卓越四年計畫,建立了一個設備齊全的光通訊實驗室,包括國內第一個光纖循環迴路實驗平台,可以用來實驗長距離的光信號傳輸(圖五左);和一個精密光纖光柵逐段曝製平台,可以用來曝製具複雜結構的光纖光柵元件(圖五右; 賴暎杰教授領導完成)。2004年交大光電所執行國科會追求學術卓越後續四年計畫,光通訊的研究重點成果包括新穎光傳輸與網路技術(陳智弘、祁甡教授)、新穎光纖元件與模組(陳智弘、賴暎杰、祁甡教授)、新穎光通訊理論與應用發展(賴暎杰、祁甡教授)。

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圖五、國內第一個光纖循環迴路實驗平台,可以用來實驗長距離的光信號傳輸(左);和精密光纖光柵逐段曝製平台,可以用來曝製複雜的光纖光柵元件(右圖)。
 
(III)  光儲存
     交大光電所光儲存研究早期以磁光碟片與全像光儲存為主。期間執行多個以高容量高密度可擦拭型光碟為目標之光儲存產學合作計劃,包括「先進型可擦拭光碟」(民國82~85年)及「DVD-RAM」(民國86~89年)等。所建立的實驗室是目前國內大學在光碟儲存研發設備最完善充實的「開放實驗室」。在交大光電系所的追求學術卓越研究計畫及後續卓越計畫中,包括近場光儲存研究項目,與機械系和電控系共同開發先進之光儲存技術。
     全像光儲存、光計算、光信號處理等相關技術研發方面,許根玉教授研究團隊發展出具有很好的感光特性的PQ:PMMA全像光儲存高分子材料。現階段所發展的5英吋全像光碟片儲存容量達420 GB/disk,儲存速度達117 Mb/sec (圖六),遠大於目前藍光DVD性能10倍以上,具有很好的應用前景。 
 
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圖六、具有很好的光感特性PQ:PMMA全像光儲存高分子全像光碟片測試機台。測試結果發現現階段所發展的
5英吋全像光碟片之儲存容量達420 GB/disk,儲存速度達117 Mb/sec。
 
     在前瞻光儲存產業技術研發方面,光電系與電控系教授也共同執行國科會和經濟部學界科專「微光機電系統晶片」計畫,以半導體微加工技術製作具有藍光(Blu-ray Disc)規格的微型光學讀取頭模組。關鍵模組包含矽微光學桌、微光學元件、光源光偵測器、微光機電伺服系統與控制晶片,達到輕、薄、短、小、與高度整合性,可為我國的光儲存產業尋求進一步發展之契機。圖七所示為利用此計畫所開發出之設計與製作封裝技術,實作出的關鍵模組。包括可自動對焦尋軌之二自由度(2DoF)微制動器(圖七上),自由空間矽光學桌系統(圖七右下),和可自動對準之多晶片封裝技術(圖七左下)等。
 
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圖七、微型光學讀取頭模組包括可自動對焦尋軌之二維自由度(2DoF)微制動器(圖七上),自由空間矽光學桌系統(圖七右下),和可自動對準之多晶片封裝技術(圖七左下)。
 
(IV)  光學設計與量測
     交大光電所在光學設計與量測等方面研究包括微光機電技術、紅外線感測元件(謝正雄教授)、微光學元件、光電系統工程與設計(陸懋宏教授)、光學測量、全像光學元件、和薄膜偏光量測(蘇德欽、趙于飛教授)等,培育的人才,遍佈在大專院校與產業界中。其中謝正雄教授協助工業界獲國內外專利近三十項,亦曾獲中國工程師學會傑出工程教授獎以及許多屆國科會研究優良獎,並擔任許多高科技公司的顧問,對國內光電及微機電與材料科學與科技工業貢獻良多。近年來交大光電系所陳志隆教授的團隊在光學設計與分析方面也有很好的成就,包括替國外原廠發展設計工具箱及擔任SPIE光學設計競賽的委員,以及提出等螺線光管理論並設計出無光損耗的光管而獲SPIE newsroom以專文介紹等成就。
(V) 顯示科技
      交大顯示科技研究所成立雖僅三年在平面顯示技術方面已有卓越成果。2006 SID年會交大的影像顯示團隊所發表的論文篇數是亞洲地區主要大學之冠,歷年來交大顯示科技研究所已三度榮獲SID最佳學生論文獎。日前交大顯示科技研究所以「高效率色序驅動法搭配次波長光柵偏光片之LED背光模組」榮獲教育部顧問室舉辦之 2005年影像顯示專題實作競賽-產學合作暨友達獎(圖八),此研究成果可使TFT-LCD具有更佳的色彩表現與電路控制技術、更節省的材料成本以及消耗電量。因其創新性甚具產業應用價值,已獲面板產業積極參與合作。
      
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圖八、高效能色序背光模組技術: 可增加背光模組功率並降低1/4材料製作成本(左圖),榮獲教育部顧問室
舉辦之2005年影像顯示專題實作競賽-產學合作暨友達獎及後續產學合作(右圖)。

       交大顯示科技研究所也建立國內第一座顯示科技教學研究共同實驗室,擁有Class 100與10K無塵室,
及以及各種平面顯示技術所需的製程與量測設備(圖九),有效的為台灣學術與業界培育優秀的顯示科技 研發人才。
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圖九、國內第一座顯示科技教學研究共同實驗室(左圖),以及與優貝克合作開發之噴墨式塗佈系統 (右圖)。
 
三.光電產業未來發展趨勢展望
光電產業未來發展趨勢可以簡述如下:

(I) 光通訊
目前光通訊科技研究發展的幾個主要發展趨勢如下:
(a)在光信號傳輸與網路技術方面,持續朝經濟、有效、兼具便利性發展,並針對不同層次之網路應用需求發展新型的光信號傳輸與網路技術。
(b)隨著光纖到家(FTTH)的建置,在光擷取網路方面,除了已有的被動光纖網路(PON)技術將越來越普及外,一些新型且經濟有效的光擷取網路技術研究也將越來越普及。
(c)Optical label switching 及 Optical packet switching 等先進光信號處理及光網路技術的研究仍將持續,同時會更努力發展所需的關鍵元件及模組,如Tunable optical delay line等。
(d)更前瞻的量子通訊技術研究將持續進行,同時會更積極發展所需的關鍵元件及模組,如single photon emitters, single photon detectors, quantum entangled state light sources等。而如quantum key distribution,quantum teleportation,entanglement swapping等應用研究也將越來越多。
 
(II) 光儲存
光儲存科技研究的幾個主要發展趨勢如下:
(a)光碟片儲存技術將沿著既定的Roadmap持續發展,藍光DVD的普及應該會很快來臨。
(b)全像光儲存技術具有高儲存容量的優點,未來將以更多的研發來促成實際應用的實現,特別是在材料的改進方面。
(c)近場光儲存技術的研發仍將持續進行,有效快速的近場光學讀取/寫入技術仍將是發展的關鍵。
 
(III) 光學設計與量測
(a)新的光電應用發展如LED照明、全像光儲存等將需求新的光學設計與量測技術來達到所需的規格,這將帶動新一波的光學設計與量測技術的發展。
(b)新的光電元件如光子晶體元件、奈米光電元件等發展將帶來光學設計與量測上新的自由度。
(c)越來越成熟的光學與光電元件製作技術將有助於複雜設計的實現,並可進一步提升光學設計與量測的功能與表現。
 
(IV) 顯示科技
(a)節能之智慧型高畫質顯示技術: 低消耗能量(環保)、低材料成本、高畫質大尺寸顯示螢幕可望全面取代傳統電視,帶給人們更美好的視覺享受。預計五年內將完成『人性化智慧型的先進顯示技術』開發,實現全彩高鮮明畫質、低耗電、多功能面板技術,可望對人類的視覺生活創造出全新的面貌。
(b)可撓式顯示技術: 可撓式顯示技術將會使顯示面板更廣泛的應用,造成日常生活中顯示技術無所不在的現象。
(c)高畫質立體顯示技術: 傳統大體積的顯示器已被平面薄型化顯示器取代。未來的目標將是讓平面薄型化顯示器畫面不再只是平面,而能顯示高畫質的立體影像,使影像更逼真的呈現於觀賞者面前。
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