學位論文
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Item 石墨烯與光子晶體共振腔結構之表面電漿探討及其在生醫感測的應用(2021) 鄭宜陞; Cheng, Yi-Sheng近年來，光學感測器對於生醫相關檢測的應用逐漸受到重視，其快速、便利及其非破壞性的檢測方式是其一大優勢，此外，觀察物質的光學特性也為檢測提供了另一個判斷的依據，特別是藉由侷限表面電漿能量的奈米結構更是在生醫感測的領域被廣為應用。本論文以有限元素法針對光子晶體結構結合石墨烯的表面電漿的光學感測器進行設計與應用。所設計的感測器類型為擁有高度電可調性的混合電漿生物感測器，可用於辨識中紅外波段範圍內的蛋白質分子指紋。此類型元件設計由一個光子能隙結構和一個以缺陷形成的共振腔組成，以此將電漿能量限制在共振腔內，實現光與分析物之間的強交互作用，而單層的石墨烯佈置於腔體結構中，除了能夠增強表面電漿的效應之外，也提供了元件的電性可調能力，藉由在腔體中填滿欲分析之物質以進行感測。此外，也藉由不同材料特性的搭配及石墨烯所佈置的範圍作了兩種設計，文中也針對此兩種不同設計的結果深入探討。設計的元件具有很高的等效靈敏度，而等效靈敏度的定義為在將分析物添加到腔體中時共振頻率偏移對應於等效折射率所變化之比例，而等效折射率是同時考慮到腔體結構和分析物的光學特性所影響的參數，不同於其他感測器只考慮了物質折射率變化，為本文的特點之一。而此類型元件另一個優點就是透過向石墨烯施加不同的偏壓來實現廣範圍的電可調性，以此可以調整腔體的等效折射率來提高針對非預設目標分析物的靈敏度。此類型元件的結構概念是依據光子理論所設計，並可透過由下而上的生長的薄膜製程及蝕刻技術來完成元件的製作，此研究結果預期對於微奈米尺度生物樣品的識別和紅外光學感測器是有益的。Item 一維光子晶體缺陷層的單向吸收分析(2020) 黃志喜; Huang, Chih-hsi理論上研究了在一維缺陷超導光子晶體材料裡高頻光波出現單向傳播性質。我們考慮用一種非對稱性的光子晶體其結構為(AB)ND(BA)M排列堆疊而成，其中A層材料為具有介電質的材料，B層材料為超導材料，D層為具有電介質材質的缺陷層，然而N、M為堆疊的數目。在本次研究中發現堆疊層數目不同時 (N ≠ M)該光子晶體結構會造成高頻光波出現單向性傳播性，單向傳播共振吸收頻率位置會隨著堆疊層數目(N和M)之間差距越大而增加。其中我們還研究了入射光波偏振角與單向傳播之間的關係，從此次的研究結果發現，當在改變入射光波的偏振方向的狀況下，單向傳播的吸收率幾乎與偏振方向是沒有直接關係地，因此我們提出的這個光子晶體結構技術可以用於設計出與入射光偏振無關的光學元件。 接下來我們還有從理論計算方式下，研究了一維具有缺陷且不對稱堆疊光子晶體結構上光波傳遞的性質，這次的光子晶體結構為 air /(AB)MG(BA)N/air，air/(AQ)MG(QA)N /air和air/(BQ)MG(QB)N/air，其光子晶體堆疊結構中的A層材料是用具有損耗的負介電係數材料，B層則是用了具有損耗地mu-negative material材料，而G層和Q層是用不同折射率的介電材料，另外該光子晶體的堆疊層數目M和N是不同的(M≠N)。此次的研究中我們注意到了在某些條件下其入射光譜會被吸收，導致傳遞光波的光子晶體有單向傳播特性。還有在這個負折射係數材料中，依造我們的計算結果顯示了有兩種單向吸收峰值，一種是會因缺陷層(G)厚度的改變而導致其鋒值頻率位置也隨著變化，另一種吸收峰值就不會隨著缺陷層的厚度改變而波峰頻率位置有所變化，這種的波峰頻率位置是固定在某些頻率位置上，另外這種固定波譜頻率位置的波峰數目會與正向或者反向傳播有所不同，當正向傳播時其波峰數目會是（M-1）個，然而如果是逆向傳播時波峰數目會是N-1個。特別的是當正向傳播與逆向傳播時固定波譜位置這個波峰數目相同為M − N − 1時，該光子晶體的單向傳播特性將消失。 另外一個研究是從理論上研究了改用材料含有n-InSb半導體層且用stage 3 triadic-Cantor-setphotonic crystal（S3 TCS PC）來討論其傳輸特性，依著半導體(n-InSb)介電常數具有可以將光波共振頻率傳輸響分成三個區域，其三個區域分別為兩個傳輸共振頻率遠高於半導體(n-InSb)介電常數的諧振頻率和另一個低於其材料共振諧振頻率的區域，其中半導體的介電常數幾乎是正常數。在光波進入stage 3 triadic-Cantor-setphotonic crystal（S3 TCS PC）結構中，其結構會將光波分成兩組不同共振頻率區域透射波譜，其為缺陷缺陷模式Np模式和非缺陷模式的Np-1模式，，其中一組波譜可以用堆疊層周期數變化而改變其缺陷模式(Np)的波峰數目，另外還可以改變入射光波的角度也會造成TE波和TM波光譜頻率位置的改變，此外還可以調整每一層的厚度來控制非缺陷層模式（Np–1）頻率響應的位置。但是要注意當入射波譜頻率落在5.1~6.2 THz大小區域時Np模式波峰強度對會損耗很大。Item 對光子晶體中光子能隙調變之各種方法之研究(2012) 李俊明; Chun-Ming Lee光子晶體是由二或三種以上不同折射率材料週期排列而成的一種結構，在此結構中，某些頻段的電磁波將無法傳遞，這些頻段即為所謂的光子能隙。光子能隙的頻率範圍會受某些條件的改變而影響，例如入射光角度、不同的材料(折射率)或者週期結構的排列方式等。本文中將以幾種不同的數學形式來改變光子晶體結構的排列方式，並觀察其結果的光子能隙增益情形，藉由比較各種方式獲得對光子能隙調變的經驗。Item Item 單負材料光子晶體光學性質之研究(2011) 吳聲志; Sheng-Chih WuIn this thesis, we shall study the optical properties for the one-dimensional photonic crystals (PCs) containing the single-negative (SNG) materials. Three main topics are involved. In the first part, we consider a PC that has a period of ENG-MNG bilayer, where ENG means the epsilon-negative material and MNG is the mu-negative material. We investigate the photonic stop band and passband structure based on the transfer matrix method. In the second part, we study the optical properties for a SNG Fibonacci PC. With this quasi-periodic structure, we show that the photonic band structure is strongly dependent on the number of Fibonacci sequence. The third topic is to study the transmission properties in a defective SNG. The resonant tunneling spectrum will be investigated in the symmetric and asymmetric structure. The defect modes are closely related to the thickness of the SNG layer in addition to the thickness of the defect layer.Item 一維半導體及介電質光子晶體若干問題之研究(2011) 林煥淳; Huan-Chuen LINIn the past two decades, a fluid of research on the photonic crystals (PCs) has been triggered. PCs are artificially periodic structures and they possess come photonic band gaps (PBGs) where electromagnetic waves cannot propagate when the frequencies of waves are falling the PBGs. The study of basic structure of PBG can provide much important information that could be useful in the applications of PCs. In this thesis, we have studied three topics on the PBGs of specific PCs. The first one is to study the photonic band structure in a semiconductor-organic PC operating at UV frequency. The UV PBG structure has been investigated as a function of the loss, angle of incidence in TE and TM polarizations. The PBG can be enhanced by a ternary PC where metallic layer is sandwiched by the semiconductor and organic layers. The second part is to study the resonant tunneling under the condition where the evanescent waves are present. This tunneling phenomenon is seen a dielectric-dielectric PC. The results show that such a PC can be used to design a multichanneled filter, which could be of technical use in the optical electronics. The third part is to study the omnidirectional properties in a semiconductor-dielectric PC containing the thermally sensitive semiconductor InSb. Since the permittivity of InSb is a strong function of temperature, tunable photonic band structure will be investigated in this work.Item 一維三元金屬介電質光子晶體頻帶增寬之研究(2010) 鍾耀賢; Yao-Hsien Chung光子晶體是由兩個或是多個不同折射率物質的人造週期性介質堆疊，光子晶體存在著光子能隙，光子能隙廣泛應用在光子晶體元件上，在這篇論文我們首先探討一維三元光子晶體能隙增寬，其中每一個週期是由兩個介電質夾著金屬層的三元結構，我們將要討論兩個主題，首先探討增加金屬層會強烈地擴大光子晶體能隙，相較於沒有添加金屬層的光子晶體(介電質-介電質-光子晶體) 接著我們探討有效電漿頻率在三元結構中，我們發現有效電漿頻率隨著金屬層厚度的增大而增加，以上所有的分析是依據Abeles theory,這是個在處理多層介質系統中簡練確切的方法。Item 一維光子晶體缺陷模態分析(2010) 王政輝; Z.-H. Wang在此篇論文中，涵蓋了三個主題。第一是研究缺陷模態垂直入射到對稱和反對稱多層窄頻濾波器的簡單例子。藉由轉換矩陣的方式來計算出波長和透射率關係圖。在反對稱濾波器，只有一個缺陷模態存在光子能隙中缺陷模態的位置隨著設計波長而改變。在對稱結構的濾波器，發現到會有兩個缺陷模態。使用Bloch waveapproximation 方法，這兩個缺陷模態分別是缺陷層在對稱和反對稱結構中場的解答。第二主題是延伸第一主題的相同結構但改變入射傾斜角。藉由對TE 和TM 波計算波長和透射率關係做缺陷模態的研究。缺陷模態和入射角的關係也被圖解之。此外,也觀察到缺陷層的厚度也會影響缺陷模態的數目。第三部份是研究在一維超導光子晶體中角度,厚度和光子能帶結構的關係。這是研究permittivity 為0 超導材料的臨界頻率。能帶結構可視為由兩個超導和介電材料所組成的厚度解析方程。在角度和能帶關係中，在TM 偏振，會存在一個強大局部疊置能帶近似於臨界頻率。當角度增加所顯示出的能帶也會增強。Item 半導體光子晶體光學性質溫度效應之研究(2013) 潘俊宏這篇論文有五個章節。第一個章節是介紹光子晶體的基本性質與歷史，第二章節是敘述我們計算光子晶體多層膜結構的理論及方法。第三章節我們要探討一維光子晶體SDPC使用的材料為矽及二氧化矽，在原結構下，SDPC的光子能隙隨著溫度增加而向右偏移，而在第二個結構中，我們參雜入SiO2，光子能隙與缺陷模態都隨著溫度向右偏移，第三個結構中，我們參雜入InSb，光子能隙與缺陷模態都隨著溫度向右偏移，再改變InSb的參雜濃度N’，發現，當參雜濃度N’上升時，產生缺陷模態時的波長有微量減少的趨勢。第四章節我們要探討一維光子晶體MSPC使用的材料為鋁及InSb，在原結構下，顯示第三章中SDPC溫度效應在金屬加入後顯得非常不明顯，再以不同入射角的TE波(S波)與TM波(P波)入射，發現TE波(S波)受入射角影響較TM波(P波)稍大，最後在第五章節是我們的結論。Item 一維三元金屬介電質光子晶體溫度效應之研究(2010) 莊翼宇; Yi-Yu Chuang光子晶體是兩個或兩個以上不同折射率的物質光學週期性層所組成，光子晶體的基本特性是存在著一些禁帶，在禁帶中電磁波是被禁止傳遞在整個結構。這個禁帶叫做光子能隙。 在此篇論文中，我們首先討論光子能隙的拓寬在三元金屬介電質光子晶體，可以得知光子晶體明顯的增寬是因為金屬層的存在。 在第二部分我們探討溫度對光子能隙所造成的效應，考慮熱膨脹造成厚度變化，不同溫度會使結構厚度變化，因此造成能隙邊緣將會偏移， 監控能帶邊緣偏移的行為將會觀察到溫度造成的影響。在使用光子晶體設計溫度相依的感測器上溫度效應的研究提供一些有用的資訊。 理論上分析在第二章會提到使用TMM法，第一章是在簡短介紹光子晶體，主要的主題被安插在第三章跟第四章，第五章是結論。