研究實驗室介紹-國立中央大學光電科學與工程學系

學術研究

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奈米光學實驗室 實驗室房號 :IL-412　連絡電話: +886-3-4227151-25238 | 實驗室網站:

指導教授:

張殷榮教授

研究介紹: 研究領域:

奈米光電轉換物理與元件、表面電漿子積體光學、奈米尺寸介電質之光學特性研究、光電電磁問題

研究內容:

奈米尺寸介電質之光學特性研究

在奈米光電中，奈米尺寸之介電質無所不在且對於光電元件之功能與表現有非常直接之影響。為了能正確預測奈米光電元件之效能，我們必須了解這些元件其組成材料之光學特性。

對於某一元件組態(device configuration)而言，也許有必要同時存在高折射率、低折射率、高雙折射(birefringence)、或低雙折射材料。因此奈米尺寸材料之折射率與雙折射特性必須能藉由設計來加以控制。因此，了解奈米尺寸介電質之光學特性，尤以其折射率與雙折射(非均向)性是極為根本而重要的。這些知識對於設計未來之奈米光路(optical nanocircuitry)與奈米微影技術皆不可或缺。

在這方面的研究，我們直接計算三維周期排列之原子於外加電場下，各個原子之感應電偶極電場(induced dipole electric field)於每一空間位置之向量和，以取得感應電偶極場於奈米尺寸體積內之空間分佈，並進一步推導出感應電偶極場與材料之介電係數張量(permittivity tensor)之間的關係。我們已預測在塊材(bulk material)時為均向性(isotropic)之正立方晶體，在奈米尺寸時若原子於各方向之排列數不同，則材料會呈現雙折射(單軸uniaxial或雙軸 biaxial)之特性；而最大之單軸雙折射發生於具四角形晶格(tetragonal lattices)之非正立方(non-cubic)晶體中。

表面電漿子積體光學

在奈米光電中，以表面電漿極子(surface plamon polaritons)於奈米結構中傳播電磁能量之研究在過去十年間倍受重視。一般咸認表面電漿元件可以成熟之半導體製程技術在未來實現奈米積體光路(optical nanocircuitry)；甚至最終能將光訊號引入奈米電子中。

過去幾年中，我們已陸續發展以「金屬-多層介電質」為基礎之創新表面電漿子元件；包括極低損耗之表面電漿波導光柵、極化不敏波導急轉結構設計、表面電漿輔助之波導極化分離器、與極化轉換器等之設計與分析。

在學理上，我們亦發展結合三維混成模態(hybrid mode)之數值計算與二維周期結構之解析電磁分析之半解析解(semi-analytical)法，以快速取得三維週期性導波結構之設計參數。此外，隨著將金屬引入奈米光路中以激發表面電漿模態，材料損耗造成之傳播損失已無法忽略不計。因此了解損耗系統於深次微米至奈米尺度下之強耦合特性，亦至為重要。

其個別之相關簡介如下:

表面電漿波導光柵

表面電漿輔助之波導極化分離器

極化不敏波導急轉結構

光波至混合電漿波導極化模態轉換器

奈米結構光電轉換物理與元件

金屬與n型半導體組成之熱電子元件其光電轉換效率與能帶結構效應之研究

金屬能帶結構對金屬-p型半導體熱電子元件之光電轉換效率之研究

准局域電漿子驅動之熱電子光電轉換元件分析

研究計畫

執行職稱	計畫名稱	計畫執行時間	補助單位	補助經費
主持人	於異質接面電漿子耦合增強之熱電子光電轉換中載子於奈米金屬之動態行為研究(109-2221-E-008 -080 -MY2)	2020/08/01 - 2022/07/31	科技部
主持人	於異質接面電漿子耦合增強之熱電子光電轉換中載子於奈米金屬之動態行為研究(108-2221-E-008 -083)	2019/08/01 - 2020/07/31	科技部
主持人	時間解析以熱電子為基礎之光電轉換中載子於奈米金屬結構之動態行為(107-2112-M-008 -019)	2018/08/01 - 2019/07/31	科技部
協同主持人	「矽光子及積體電路」專案研究計畫之推動及管理計畫(107-2218-E-011 -009 -MY5)	2018/04/01 - 2022/11/30	科技部
主持人	理論極限與實驗探究以「熱電子」為基礎之可見光頻段光電能源轉換(106-2221-E-008-077)	2017/08/01 - 2018/07/31	科技部

主要儀器設備:

Lenovo P620 WorkStation x 1

- AMD Threadripper Pro 3975WX

- 256 GB DDR4 3200 MHz RDIMM ECC Memories

HP Z840 Workstation x 3

- [Dual CPU] Intel® Xeon® processors E5-2697 v3@2.60 GHz, 25 MB cashe, 14 Cores

- [Dual CPU] Intel® Xeon® processors E5-2690 v4@2.60 GHz, 25 MB cashe, 14 Cores

- [Dual CPU] Intel® Xeon® processors E5-2680 v4@2.40 GHz, 25 MB cashe, 14 Cores

- 160 GB DDR4 2133 MHz ECC Memories

HP Z820 Workstation x 1

- Intel® Xeon® processors E5-2696 v2@2.60 GHz, 20 MB cache, 8 Cores, 1st CPU

- Intel® Xeon® processors E5-2696 v2@2.60 GHz, 20 MB cashe, 8 Cores, 2nd CPU

- 192 GB DDR3 1600 MHz ECC Memories

HP Z800 Workstation x 1

- Intel® Xeon® processors X5670@2.93 GHz, 12MB cashe, 6 Cores, 1st CPU

- Intel® Xeon® processors X5670@2.93 GHz, 12MB cashe, 6 Cores, 2nd CPU

- 96 GB DDR3 1333 MHz ECC Memories

Lenovo ThinkStation C30 x 1

- Intel® Xeon® processors E5 2690@2.90 GHz, 20MB cashe, 8 cores, 1st CPU

- Intel® Xeon® processors E5 2690@2.90 GHz, 20MB cashe, 8 Cores, 2nd CPU

- 128 GB DDR3 1800 MHz ECC Memories

Lenovo ThinkStation S30 x 1

- Intel® Xeon® processors E5 2680 v2@2.80 GHz, 25MB cashe, 10 Cores

- 128 GB DDR3 1800 MHz ECC Memories

Software Packages

OptiFDTD v10 from Optiwave Inc., COMSOL Multiphysics 6.2, MATLAB

論文著作與專利:

期刊論文

NO.		內容
1		Yin-Jung Chang*, Ko-Han Shih, and Chun-Yu, Hsiao, "Photonic-plasmonic hot-electron-based photodetection with diffracted-order-resolved leaky plasmonic mechanisms", Nanophoton., vol. 11, pp. 4439-4453, Aug. 2022.

2		Yin-Jung Chang*, Ko-Han Shih, and Karthickraj Muthuramalingam, “Aluminum-based concurrent photonic and plasmonic energy conversion driven by quasi-localized plasmon resonance,” Opt. Express, vol. 28, pp. 37669-37685, Dec. 2020.

3		Ko-Han Shih and Yin-Jung Chang*, "Internal photoemission for photovoltaic using p-type Schottky barrier: Band structure dependence and theoretical efficiency limits," J. Appl. Phys., vol. 123, p. 023107, Jan. 2018.

4		Yin-Jung Chang* and Ren-Wei Feng, “Hybrid plasmonic mode converter – Theoretical formulation and design with a graphical approach” Appl. Opt., vol. 56, pp. 5501-5510, Jul. 2017.

5		Yin-Jung Chang* and Ren-Wei Feng, "Embedded-Silicon-Strip-to-Hybrid-Plasmonic Waveguide Polarization Mode Converter," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 29, pp. 759-762, May 2017.

教授課程

大學部必修課程

OS2003 電磁學(一)(107年、108學年上學期)

OS2004 電磁學(二)(107年、108學年下學期) Lecture Notes on Ch. 10 Plane EM Waves

OS2010 電子學實驗(97年、98學年下學期)

OS2011 光電半導體物理(97年 - 101學年上學期，106學年上學期) Lecture Notes on Ch. 3 Introduction to the Quantum Theory of Solids

OS3002 光電工程概論(103年 - 105學年下學期)

大學部選修課程

OS3016 電磁學(三)(109學年上學期)

研究所一般課程

OS6023 輻射與檢測
OS6072 光電半導體物理與元件(全英語授課)
OS7104 積體光學(全英語授課)
OS7160 光電半導體物理基礎(全英語授課)
OS7168 光電電磁原理(全英語授課)

OS7201 時域有限差分法分析電電磁光學(中文、部分英語或全英語授課)
OSA020 電磁學(97年上學期碩士在職專班)

研究所專題課程

OS6060 高等積體光學專題
OS7131 電磁理論專題(全英語授課)
OS7183 光電元件物理專題(全英語授課)

研究團隊

博士後研究員

無

在學學生

博士生:

無

碩士生:

學士生:

畢業學生

博士班畢業生:

無

碩士班畢業生:

畢業學生就業情形:

劉O昌 2008/09 - 2011/01:

羅O垣 2008/09 - 2011/01: 旺宏電子(Macronix International Co., Ltd.)/台積體電路製造股份有限公司(TSMC)

陳O廷 2009/09 - 2011/07: 台積體電路製造股份有限公司(TSMC)

李O倫 2009/09 - 2011/11: 元晶太陽能科技(TSEC Corp.)

陳O宇 2010/09 - 2012/07: 群創光電股份有限公司(Innolux Corp.)

徐O威 2010/09 - 2013/06: 世界先進積體電路股份有限公司(Vangard International Semiconductor Corp.)

謝O翰 2010/09 - 2013/06: 聯華電子股份有限公司(UMC)

賴O勝 2011/09 - 2013/07 學碩士五年: 台積體電路製造股份有限公司(TSMC)

陳O桓 2012/09 - 2014/07: 台積體電路製造股份有限公司(TSMC)

余O憲 2013/09 - 2015/07 學碩士五年: 群創光電股份有限公司(Innolux Corp.)

施O涵 2014/09 - 2016/07: 美國University of Central Florida光學學學院博士班

Karthickraj Muthuramalingam 2014/09 - 2016/07:台灣工業技術研究院(Ind. Technol. Res. Inst. of Taiwan, R.O.C.)
馮O偉 2014/09 - 2016/11: 群創光電股份有限公司(Innolux Corp.)
李O瑜 2015/09 - 2017/07: 聯華電子股份有限公司(UMC)/Cadence Design Systems, Inc.

蕭O育 2016/09 - 2019/11: 仁寶電腦工業股份有限公司(COMPAL Electronics, Inc.)

Hữu Thọ Triệu 2021/02 - 2023/01: 中央研究院應用物理研究所

畢業論文:

劉O昌:以金屬與多層介電質組態實現可運用於矽基奈米光路之波導90度轉折結構(2011/01)

羅O垣:以金屬與多層介電質組態為基礎之新型波導布拉格光柵(2011/01)

陳O廷:以模擬退火演算法及考慮太陽光譜權重對具金屬背電極之太陽能電池設計寬頻與全向位抗反射層(2011/07)

李O倫:以非對稱金屬與多層介電質組態實現可運用於奈米光路之方向性耦合器極化分離器(2011/11)

陳O宇:發展半解析法以設計高次模態合成之三維波導電漿子布拉格光柵(2012/07)

徐O威:橫電極化光波入射非對稱「金屬－介電質」多層結構之共振耦合研究(2013/06)

謝O翰:以保角映射結合傳輸線網路法設計與分析表面電漿轉折波導 - 理論計算與數值模擬之比較(2013/06)

賴O勝:有損中間層引介之光學效應於實現最大光穿透率至薄膜太陽能電池吸收層之研究(2013/07)

陳O桓:探討包含金屬之非對稱、單一位能障壁系統中輻射模態致發之共振光學穿隧(2014/07)

余O憲:光波至混合電漿波導極化模態轉換器(2015/07)

- 施O涵:理論探討以金屬內部光輻射為基礎之太陽能光電轉換(2016/07)

- Karthickraj Muthuramalingam: Polarization-insensitive two-dimensional metallic absorbers in structured metal-insulator-metal configuration for plasmon-enhanced photoelectric conversion (2016/07)

- 馮O偉:基於模態漸變得嵌入式矽波導至混合電漿波導之極化模態轉換器(2016/11)

- 李O瑜(與台大工程科學所陳昭宏老師共同指導):基於標準CMOS製程並具T型多晶矽光柵之崩潰式光感二極體(2017/07)

- 蕭O育:具耦合電漿子增強之可見光波段電漿子光偵測器(2019/11)

學士班畢業生:

2010: 陳O宇(中央大學光電研究所)、張O翔(中央大學光電研究所博士，指導教授張正陽博士)

2011: 陳O

2012: 賴O勝(中央大學光電研究所)

2014: 余O憲(中央大學光電研究所)、施O涵(中央大學光電研究所、美國Univ. of Central Florida光學學院博士班)、邱文彥(清大物理研究所)、資O慶(交大光電研究所、美國Univ. of Virginia電機工程系博士班)

2015: 李O瑜(台大工程科學研究所)、杜OO(交大電子工程研究所)

2017: 馮OO(美國University of Arizona光學學院碩士班、美國Univ. of Rochester博士班)、呂O誠(台大工程科學研究所)、劉OO(台大電子工程研究所、比利時imec/KU Leuven博士班)

2018:余OO(中央大學光電研究所)

2019: 劉O軒(交大光電所碩士班)

2020: 廖O威(交大光電所碩士班)、胡O(瑞士ETH Zurich MSc in Quantum Engineering)

2023: 詹O智(交大光電所碩士班)

實驗室招生資訊

We constantly look for M.S. and Ph.D. students who are self-motivated,

interested in photonics, electromagnetics, semiconductor physics, solid state physics, and/or nanophotonic device fabrications,

not afraid of engineering math or mathematical methods for physics,

patient, dare to explore things having no standard answers, and not getting frustrated easily.

If you appreciate having weekly/biweekly one-on-one meeting with Prof. Chang and believe this may be of any help to you, you are the one who shall enjoy your study/research in this group. For more details, please contact Prof. Chang.

實驗室活動相片

2011年尾牙(1)
2011年尾牙(2)
啟勝跟宇桓在墾丁
與104年大學部畢業生於實驗室IL-412合影
2016年與專題生合影
2017年5月1日勞動節實驗室一至八屆碩士畢業生大團圓
2017年6月與專題生合影