臺灣博碩士論文加值系統

本論文，主要是探討在可見光波段，以自製的鋅擴散鈮酸鋰波導相位調制器(ZIPM)，在光學外差干涉術之應用，並利用鎖相放大器為主的相位訊號接收與處理介面，發展以ZIPM為主的光學相位量測系統。
在摻雜氧化鎂之鈮酸鋰(MgO:LN)基板之應用可行性，驗證此自行開發的ZIPM，首先量測在三種不同可見光波長(457 nm、532nm、632.8nm)下，元件之切換電壓與相位穩定度。從實驗結果得知，在632.8nm波長輸入時，有最穩定的相位操作，主要是我們設計的波導寬度與製程條件，是適用於波長632.8nm。若要發展較低波長且相位穩定操作之ZIPM，則必須把波導寬度再降低。
在光學參數量測上，則是利用斜向光入射光雙折晶體，所造成之正交極化相位延遲現象，作為光學式角度及溶液濃度(折射率)感測器。在角度量測上，使用一5mm厚的MgO:LN晶體，其最佳的量測精準度約為2.77×10-5deg.，接著利用單面鏡反射、斜向雙面鏡反射(一次、三次、五次)來提高角度量測放大率，而在斜向雙面鏡五次反射下，其量測精準度則可達到約3×10-6 deg.。而在溶液濃度(折射率)量測上，則是利用一1mm厚的MgO:LN平板，在最佳的情形下，葡萄糖量測其濃度最低可達約0.01%，同時其折射率量測精準度可達約9×10-7 RIU，而食鹽水濃度則是可量測到將近0.1%，折射率精準度可達約4×10-6 RIU。
此外，也首度提出在x-切/z-傳播MgO:LN基板，製作鋅擴散模態轉換器，並且驗證在波長632.8nm、連續六十分鐘量測下，仍然可以維持穩定轉換效益，相較於在LN基板同樣的操作條件下，因較不受光折效應影響，會有更穩定的轉換特性輸出。

In this thesis, a Zn-indiffused lithium niobate phase modulator (ZIPM) is proposed for the applications of optical heterodyne interferometry in visible light. A lock-in amplifier is adopted to receive the sinusoidal-like interferometric signals and measure phase difference between them.
In the optical parameter measurements, an oblique incident light of with two orthogonal polarizations has the incident angle dependence on the phase delay when it passes through a birefringence plate. This principle is used as an optical rotation angle or a liquid concentration measurement in the ZIPM-based heterodyne interferometer. The results show that the best achieved resolution was about 2.77×10-5 deg by using a 5mm-thick MgO:LN crystal for the rotation angle sensor. On the test of concentration of liquid, we use an 1mm-thick MgO:LN plate. Under the best conditions, the lowest measured concentration of glucose can reach to 0.01%, and the corresponding refractive index resolution can reach to about 9×10-7 RIU. Besides, the concentration of salt water can be measured nearly to 0.1%, and the accuracy of refractive index can reach to 4×10-6 RIU.
Furthermore, the Zn-indiffused mode converter (ZIMC) has been successfully demonstrated on the x-cut/z-propagation MgO:LN substrate. The device shows stable operation irradiated at a wavelength of 632.8nm for 60 minutes. In comparison with the similar ZIMC in the non-doped LN substrate, the proposed one has more stable performance because it’s less influenced by optical damage effect.

中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
表目錄 VII
圖目錄 VIII
目錄 IV
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1(a) SPR角度量測 2
1.2.1(b) TIR角度量測 3
1.2.1(c) SPR位移量測 4
1.2.2(a) 非接觸式SPR溶液濃度量測 5
1.2.2(b) 接觸式SPR溶液折射率量測 6
1.2.2(c) SPR+TIR溶液濃度量測 7
第二章 基本原理 9
2.1 鈮酸鋰晶體特性 9
2.2 鈮酸鋰之電光效應 10
2.3 鈮酸鋰光折效應 13
2.4 模態轉換器原理 14
2.5 相位調制器 16
2.6 外差干涉基本原理與架構 17
2.7 光折(BR)感測器原理 20
2.7表面電漿共振(SPR)感測器原理 21
第三章 模態轉換器製程 23
3.1 晶片切割 23
3.2 波導層製作 23
3.3 緩衝層製作 28
3.4 電極層製作 29
第四章 鋅波導相位調制器在外差干涉量測之應用 31
4.1 Vπ量測 31
4.2 相位穩定度量測 33
4.2.1 示波器量測 33
4.2.2 鎖相放大器量測 36
4.3 ZIPM應用於旋轉角度之量測 37
4.3.1 雙折晶體旋轉角度量測 37
4.3.2 非對稱弦波對外差干涉量測之影響 40
4.3.3(a) 單面鏡反射增加旋轉角度改變(一次反射) 41
4.3.3(b) 斜向雙鏡面反射增加旋轉角度改變(三次反射) 43
4.3.3(c) 斜向雙鏡面反射增加旋轉角度改變(五次反射) 44
4.3.4 平行雙面鏡與非平行雙面鏡比較 46
4.4 溶液折射率之量測 47
4.4.1(a) ZIPM應用於葡萄糖溶液濃度量測 48
4.4.1(b) ZIPM應用於食鹽水溶液濃度量測 51
4.4.1(c) EOM應用於葡萄糖溶液濃度量測 52
4.4.2 SPR與BR感測器應用於溶液折射率(濃度)量測之模擬 53
4.4.2(a) SPR感測器 53
4.4.2(a) BR感測器 58
4.5 鋅擴散模態轉換器 59
4.5.1 波長632.8nm應用於鋅擴散模態轉換器 59
4.5.2 波長632.8nm長時間穩定度量測結果 61
4.5.3 波長532nm應用於鋅擴散模態轉換器 62
4.5.4 波長532nm長時間穩定度量測結果 63
第五章 結論 65
參考文獻 67















表目錄

表2-1 鈮酸鋰晶體相關參數表 9
表4-1 ZIPM(葡萄糖)濃度量測值-1 48
表4-2 ZIPM(葡萄糖)濃度量測值-2 49
表4-3 ZIPM(葡萄糖)濃度量測值-3 50
表4-4 ZIPM(食鹽水)濃度量測值 51
表4-5 EOM(葡萄糖)濃度量測值 52

























圖目錄

圖1-1 SPR旋轉角度量測架構 2
圖1-2 TIR旋轉角度量測架構 3
圖1-3 SPR位移量測架構 5
圖1-4 非接觸式SPR溶液濃度量測架構 6
圖1-5 接觸式SPR溶液折射率量測架構 7
圖1-6 SPR與TIR結合溶液濃度量測系統 7
圖2-1 施加在X方向電場之折射率橢球 11
圖2-2 施加在Y方向電場之折射率橢球 11
圖2-3 施加在Z方向電場之折射率橢球 12
圖2-4 光折效應電荷示意圖 13
圖2-5 線性極化轉換 14
圖2-6 積體模態轉換器：(a)上視圖，(b)截面圖 15
圖2-7 相位調制器 15
圖2-8 外差干涉之基本架構 18
圖2-9 光雙折射感測器 20
圖2-10 SPR感測器 21
圖3-1 晶圓切割圖 23
圖3-2 鈮酸鋰基板 24
圖3-3 光阻塗佈 24
圖3-4 對準及曝光 25
圖3-5 顯影 25
圖3-6 鍍膜 25
圖3-7 掀離 26
圖3-8 常壓850°C製程之升溫、持溫時間示意圖 27
圖3-9 熱擴散 27
圖3-10 不同入射波長之量測波導光場:(a) 475nm光場，(b) 532nm光場，(c)
632nm光場，(d) 670nm光場 28
圖3-11 緩衝層 29
圖3-12 鋁電極製作流程: (a)光阻塗佈(b)對準及曝光(c)顯影(d)鋁鍍膜(e)掀離 30
圖4-1 Vπ量測架構 31
圖4-2 三角波電壓量測結果: (a) 457nm，(b) 532nm，(c) 632.8nm 32
圖4-3 不同可見光波長之Vπ量測結果 32
圖4-4 鋸齒波電壓量測結果:(a) 457nm，(b) 532nm，(c) 632.8nm 32
圖4-5 相位穩定度量測架構(示波器) 33
圖4-6 Lissajous曲線圖 34
圖4-7 457nm波長:(a)雙通道訊號及(b) Lissajous曲線 35
圖4-8 532nm波長:(a)雙通道訊號及(b) Lissajous曲線 35
圖4-9 632.8nm波長:(a)雙通道訊號及(b) Lissajous曲線 35
圖4-10 相位穩定度量測架構(鎖相放大器) 36
圖4-11 相位隨時間變化量測: (a) 457nm，(b) 532nm，(c) 632.8nm 36
圖4-12 雙折晶體量測架構 37
圖4-13 1mm LN相位-角度關係在不同掃描範圍: (a) 0~10度，(b) 30~40度 38
圖4-14 5mm厚(LN)與(MgO:LN)相位-角度關係 38
圖4-15 38到42度之相位變化量 39
圖4-16 0.02度掃描範圍之相位變化 39
圖4-17 (a)非對稱雙弦波(b) Lissajous曲線 40
圖4.18 雙弦波對稱與非對稱對相位量測之影響:(a)對稱，(b)非對稱 40
圖4.19 雙弦波對稱與非對稱對AF之影響:(a)對稱，(b)非對稱 41
圖4.20 面鏡反射一次架構 41
圖4-21 面鏡反射一次架構之相位變化: (a)41到41.3度，(b)45到45.3度，(c)47
到47.3度 42
圖4-22 0.004度角掃描範圍 42
圖4-23 斜向雙鏡面反射架構(三次反射):(a)側視圖，(b)上視圖 43
圖4-24 38度到38.15度之相位變化量 43
圖4-25 0.003度角掃描範圍 44
圖4-26 斜向雙鏡面反射架構(五次反射):(a)側視圖，(b)上視圖 44
圖4-27 面鏡反射五次架構相位變化: (a)38.5到39度，(b)39.8到40度，(c)40.5
到41度 45
圖4-28 0.008度角掃描範圍 46
圖4-29 平行面鏡五次反射相位量測結果 46
圖4-30 (a)ZIPM溶液折射率量測架構，(b)溶液折射率量測盒 47
圖4-31 ZIPM(葡萄糖)濃度量測結果:(a)相位-時間變動，(b)相位-濃度變化 48
圖4-32 ZIPM(葡萄糖)濃度量測結果:(a)相位-時間變動，(b)相位-濃度變化 49
圖4-33 ZIPM(葡萄糖)濃度量測結果:(a)相位-時間變動，(b)相位-濃度變化 50
圖4-34 ZIPM(食鹽水)濃度量測結果:(a)相位-時間變動，(b)相位-濃度變化 51
圖4-35 EOM溶液折射率量測架構 52
圖4-36 EOM(葡萄糖)濃度量測結果:(a)相位-時間變動，(b)相位-濃度變化 52
圖4-37 SPR感測:(a)相位-角度，(b)相位-角度(小範圍)，(c)敏感度-角度
(Au=40nm) 54
圖4-38 SPR感測:相位-折射率關係圖(Au=40nm) 54
圖4-39 SPR感測:(a)相位-角度，(b)相位-角度(小範圍)，(c)敏感度-角度
(Au=45nm) 55
圖4-40 SPR感測:相位-折射率關係圖(Au=45nm) 56
圖4-41 SPR感測:(a)相位-角度 (b)相位-角度(小範圍) (c)敏感度-角度
(Au=47nm) 56
圖4-42 SPR感測:相位-折射率關係圖(Au=47nm) 57
圖4-43 SPR感測:相位-折射率(不同Au厚度與入射角度) 57
圖4-44 BR感測:相位-折射率關係圖 58
圖4-45 (a)模態轉換器量測架構與(b)電極個別所加偏壓示意圖 60
圖4-46 模態轉換器輸出訊號(100kHz，AC=6V，DC=3V，632.8nm波長): (a)輸入電壓與TM轉換訊號，(b)TM及TE轉換訊號 60
圖4-47 模態轉換器輸出訊號(50kHz，AC=5.8V，DC=3V，632.8nm波長): (a)輸入電壓與TM轉換訊號，(b)TM及TE轉換訊號 61
圖4-48 長時間穩定度量測(632.8nm波長):(a)第0分鐘，(b)第20分鐘，(c)第40分鐘，(d)第60分鐘 62
圖4-49 模態轉換器輸出訊號(100kHz，AC=2.8V，DC=2V，532nm波長):(a)輸入電壓與TM轉換訊號，(b)TM及TE轉換訊號 62
圖4-50 長時間穩定度量測(532nm波長):(a)第0分鐘，(b)第20分鐘，(c)第
40分鐘，(d)第60分鐘 63

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