光 電 工 程（梁 寶 芝）

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http://www.ppaee37.fcu.edu.tw/cie/06.htm
光  電  工  程（梁 寶 芝）
6.1    值得深思的問題
光電領域這幾年來正蓬勃發展，不論在學術研究或高科技工業發展上都有相當可
觀的進展，也是國家重點高科技發展技術之一，我們有幸能在此多方瞭解並學習
。在了解光電範疇及其發展歷史之前，對於既將成為未來社會中堅者，有幾項優
於專業領域須先思考的問題在此提出，供各位參考，以作為未來目標之訂定，現
在學習之推動力及面對挫折時之能力。

1. 人生的目的為何?

子曰：「人而無信不知其可也，大車無輗，小車無軏，其何以行之哉。」其中之
「信」既是信念、目標、方向的意思。思考人生的目的不僅讓自己有方向，也可
在人生路途中遭遇挫折時不為困難所困，而能勇於面對，因此找尋及思考人生長
遠的目的是非常重要的。

2. 為何要念大學?

有些人是為了父母期望，有些人要證明自己的能力，有些則可能是要尋找自己的
目標，有些是為培養未來獨立的能力。上大學代表另一階段的開始，是進入社會
貢獻自己能力的緩衝期，是培養獨立生活與人相處的機會，我們今天的成長是取
自於社會與自然，如何回饋社會與自然環境是值得深思的。

3. 大學生需具備的特質?

培養正確人生觀、自我負責的獨立性、正確道德觀、深入思考性、辨別是非的能
力、與人和諧相處、挫折容忍力的提高、學習能力提升、創造力、專業基礎知識
建立等。這些都需要經由順逆事件的面對加以學習。大學生要能勇於面對及選擇
思量以培養這些基本特質。


4. 為何選資電學院?

5. 資電學院學生需要了解的基本知識為何?

6. 何謂光電? 光電工程學程需要了解的基本知識為何

6.2    人類所面臨的重大問題（值得深思的問題）
大學生是未來社會之棟樑，需要深入觀查及思考自然社會的問題，以下為李家同
教授至逢甲大學專題講座時所提「人類所面鄰的重大問題」供各位參考：

1.     道德淪落的問題

2.     制度,民主解決不了的問題(貪污,犯罪)

3.     人類如何和平相處

4.     自然資源迅消失的問題

5.     海平面昇高

6.     貧富不均

7.     富強與軍備競賽

8.     智慧財產權操縱在少數人手裡

9.    人文素養



6.3    學習的五大原因
目前我們處於人與人關係緊密且資訊與知識暴漲的時代，如何學習別人身上特質
以提升自己人格成熟，以及如何在眾多資訊中取得真正所需，都有賴教育與學習
，教育是人類升沉的樞紐，而學習是我們必須培養的基本態度，

以下摘錄自詹姆斯 杜布森博士著「勇於管教」, 學習的五大原因

1.    教導自我管理是教育過程中很重要的一個部分。學習需要下很大的苦功。


2.    學習很重要,因為學習會使我們改變，既使很多是以後會忘記。學習會改
變價值觀、態度和觀念，這些事不會因時間的過去而消失。

3.    一個人既使記不得所學的東西，他仍知道有這回事存在，並曉得怎麼去追
查。

4.    我們不會把學過的是全部忘光，那些重要的資料都存在我們永久的記憶中
。

5.  過去的學習會使新的學習更容易。每一次的腦力練習都讓我們得到相關的線
索更容易，與未來會接觸的想法和觀念相聯結。

6.4    學習的動力
如前所說學習本身是須要下苦工的，如何推動我們學習我借用宗喀巴大師所著「
菩堤道次地廣論」

1.     目標的了解—正確明嘹追的目標，找出價值,通常我們是不容易知道，但
可透過觀察找尋可靠老師，依著老師的教導去做。

2.     想學的心—學習本身必須是自己親身體驗，才能真正學到東西，老師、
父母及朋友只是建立目標、給予適當的環境與適當引導，惟有靠我自己去做才有
可能學會。

3.     歡喜的心—學習的過程是很長遠的，要能培養出喜歡學習的心，永遠無
滿足感，才能持續的學習，也才能有好的成效。

4.    暫時休息—學習的過程是很辛苦的，當覺得受到極大艱辛時，也需要暫時
休息，但休息是為走更長、更穩固的路。

6.5    光學的劃分
「光」是什麼?   對於一位眼睛很好的人來說，要知道光是什麼似乎是一件容易
的事，但對於一位盲人而言要知道光是什麼似乎是一件很不容易的事。科學家自
17世紀初即開始有系統的觀察、歸納及探討「光」，時至今日大約可將光學作以
下的劃分。


(一)    幾何光學

對「光」的描述是用光線、光線的集合(光束) 。其主要描述之光特性及現象為


(a)     光的直線傳播(Rectilinear propagation)

(b)     光速有限(Finite speed of light)

(c)       反射(Reflection)

(d)       折射(Refraction)

(e)       色散(Dispersion)

主要應用為透鏡設計(lens design) ，加上精密機械(Precision mechanics)及
光度學(Photometry) 即是我們所知的 儀器光學(Instrument optics) 。常用儀
器光學範圍如下:

(a)        攝影儀器光學(photographical Optical Instruments)

(b)        醫療生物光學(Biomedical Optical Instruments)

(c)        軍用光學(Military Optical Instruments)

(d)        計量光學(Metrological Optical Instruments)

(e)        通訊/資訊光學(Comm./inform. Optical Instruments)

(f)         消費性產品(consumer product)

.

(二)    波動光學 (Wave Optics)

對「光」的描述是用電磁波，電磁波中電場及磁場的振動方式與繩波的橫波形式
相同，也有相同的運動方程式。其主要描述之光特性、現象及應用為:

1.      繞射:     傅氏光學,光訊處理,全相術

2.      干涉:     干涉, 干涉儀

3.      偏振:     晶體光學, 液晶光學

  當光波長遠小於量測精密度時波動光學可近似於幾何光學。



(三)     量子光學 (Quantum Optics) 。

對「光」的描述是用粒子，即愛因斯坦定名為「光子」(Photon) ，光有一最小
能量單位，即「光子」，此最小能量只與光頻率成正比，可以一個個描述它。其
主要描述之光特性為:

(a)       光電子(Optical Electronics)

(b)       雷射物理(Laser Physics)

(c)       光子計算(Photon Counting)

量子光學與波動光學為光一體之兩面，此二模型為互補特性，可彌補單一模型所
不足之物理現像。



6.6    光的性質與歷史
      光學的歷史有助於對光電的瞭解，以下就重要的光學現象依發現的時間順
序將光的特性作說明:



I.    粒子說(Particle models)

1621 : 英人W. Snell 首先歸納出 折射定律(Snell’s Law) ，光行進至不同介
質其行進角度會改變，此不同介質之角度正弦比與折射率成反比。

1637 :法人R. Descartes也於法國同時提出折射及反射定律，稱為Descartes
Law，其結果與Snell’s Law相同。

1664 : P. Fermat觀察( a)自然界遵行最短距離行為

   (b)光速有限等     Fermat Principle ，為幾何光學基楚礎。

1704 :I. Newton作出稜鏡,色散現象(Dispersion)

C(紅)
D(黃)
F(藍)
折射角
偏向角

                                    圖 一 色散


冕玻璃 :       nF=1.52933
                                    nD=1.52300
                                    nC=1.52042

II.           波動說(wave theory)
1665 : F. M. grimaldi觀察到光的繞射現象。而 R. Hooke i觀察到光的干涉現
象。

          但其間陸續有觀察到光波動現象，但當時科學家仍以光為粒子性為主
流，因此直至18世紀惠更斯及之後的干涉實驗才正式奠定波動光學的基礎。

1779: C. Huygens提出惠更斯第二波前理論，奠定波動光學的基礎。

1802: T.　Young 作出 雙狹縫干涉，光波動性被證實。

1815: A. Fresnel 以光波為橫波(transverse wave)推導繞射理論及偏極光反射
(Fresnel eq.)方程式。

1864: J.M. Maxwell結合電磁方程式為一般式，並證明電磁波具一般波方程式，
且推導出光速為c=1/√e0m0 = 3*10^8 m/s，其中   m0: permeability為磁導係
數，而e0: permittivity為介電常數。



十九世紀末光波動理論已大致建立，波動說可解釋1.干涉2.繞射3.偏振等光學現
象，但卻不能解釋   1.光發射2.光吸收3.光電效應等，物質與光波能量交換的
現象。

III.        量子論(Quantum theory)

由於光波動不能解釋物質與光波能量交換的現象:

1900 : M. Plank 為解釋黑體輻射現象，假設光有一最小能量單位，此最小能量
只與光頻率成正比， E = hu, 其中之比例常數後來稱之普郎克常數(Plank’s
constant) 。

                  1905 : A. Einstein作光電效應實驗，更明確證明光的粒子
性(量子性) ，並正式定名為光子(photon) 。

          1913 : N. Bohr以量子論提出氫原子模型。

          1922 : A. Compton作Compton 效應即 X-ray 散射實驗。

    1924 : L. de. Broglie提出物質波(wave matter)概念，指出一般粒子也有
波特性，波長與粒子動量關係為l = h / p。量子力學(包括波動力學及矩陣力學
)也在這年開始建立。

          1927~28: C. Davisson & L. Germer 作出電子繞射實驗，量子力學(
包括波動力學及矩陣力學)建立完。



l       波粒雙重性(particle-wave duality)

           至今光波動理論已大致建立， 「光」具有波動及粒子雙重特性。
N.Bohr提出互補原理(priciple of complementarity)即波動說可解釋1.干涉2.
繞射3.偏振等光學現象，而量子論可解釋1.光發射2.光吸收3.光電效應等，物質
與光波能量交換的現象。波動及粒子具互補特性而無包含關係。


6.7    雷射的性質與歷史
雷射(Laser)的原名是:Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation的縮寫合成字，由字面上可翻成受激放射後再被放大的光，臺灣的中
文翻譯是音譯，而大陸翻成「激光」是意譯。

   人類歷史上有三次應用自然的能量造成工業革命，改進了人類的生活，並造
成經濟生活的轉變。第一次因熱能的發現，而發明蒸氣機、內燃機造成第一次工
業革命。第二次因電能的發現，而有電話、電腦、電視等造成第二次工業革命。
第三次因光能的發現，而雷射、光纖等造成第三次工業革命。

由於雷射光及光纖的出現，使得光學與光技術有了革命性的突破。藉著光的技術
，許多被認為在發展上已至盡頭的技術或工業，諸如電子、資訊、機械、電訊與
能源等，都因此邁入了新的里程，新興工業也因應而生，因此，美、日及歐洲國
家對光電科技極為重視，並認為「二十一世紀是光的世紀」。


雷射(Laser)的原名是:Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation的縮寫合成字，由字面上可翻成受激放射後再被放大的光，臺灣的中
文翻譯是音譯，而大陸翻成「激光」是意譯。

(四)    雷射的特性(與一般光源不同處)

雷射具有與一般光源不同處為(i)高亮度(ii)好方向性(iii)高單色性(iv)高相干
性，這些特性造就了目前的光電科技，也影響了人類生活。



(五)    雷射發展史

1900: Planck 為解釋黑體幅射( Blackbody radiation )而提出光能不連續的概
念，其假設光能量與光頻率成正比，亦即E=hn。

1905: Einsteins以光電效應( Photoelectric effect )成功的證明光的粒子性
，並正式定名「光子」(Photon) 。

1917: Einstein提出幅射與物質的交互作用除了自然放射、受激吸收外應存在「
受激放射」(stimulated emission) ，奠定雷射基礎。

1928:      Ladenberg & Koptmann實驗證明「 受激放射」的存在。

1930:      量子力學(Quantum Mechanics) and 及光譜學(Spectrum )建立。

1950:      E.M. Purcell & R. V. Pound 等人提出粒子數反轉(Population
inversion)的 (Population inversion)想法以提高受激放射的機率。

1951 to1954:       Bosov & Prokhorov (俄人) 及C.H. Townes (哥倫比亞人)
等人提出鋂射(Microwave Amplification by Stimulated Emission of
Radiation，Maser)的可行性。

1954:      C.H. Townes以NH3為材料，將其解離後置於微波(n=23870MHz)共振
腔中，成功將微波放大，作出 Maser。

1956-58: Bloembergen、Fehn、Seiel & Scoril等人於低溫40K，作出n=4170MHz
，輸出功率P=0.07W的固體。

1958:Townes & Shalow提出光波範圍Optical maser 的可能性可行性。

1960: 秋天 : T. H. Maiman(Father of Laser,雷射之父)以Cr參雜於紅寶石為
材料，閃光燈照射紅寶石，產生l=6943A的雷射光，亦即是世界第一支雷射，並
正式命名為雷射(Laser)。

1960:冬天 Javan、Bennett & Henniott 等人以氣體放電方式作出l=1.15um(紅
外光) 的氦氖雷射(He-Ne Laser) 。

1961: 各種雷射相繼被成功作出，如

l=0.63um的氦氖雷射(He-Ne Laser) 。

              l=4880,5145A的亞離子雷射(Ar Laser) 。

r             l=10.6um的二氧化碳雷射(CO2-N2-Ne Laser) 。

          l=1.06um的(Nd:YAG雷射(Nd:YAG Laser) 。

1962: Hall & Fenner作出紅外線的半導體雷射(GaAs Laser) 。
1964: Townes、 Basov & Prokhorov等共同得到諾貝爾獎。
1970 to now: 除了繼續雷射的研發外，開始各種工業應用的發展。

6.8    光纖的性質與歷史

一. 光纖的特性
      光纖與一般傳輸線比較之優點如下:
Advantages of using fiber optic cable
Characteristic
 Advantage

Greater bandwidth
 Can be used at high data rates

Small size
 Can be installed in existing conduit

Signal confinement
 No crosstalk or hum; secure communications

Freedom from electromagnetic pulses
 No interference from lighting or ground loops

Low cost
 Less expensive per installed voice circuit

Security
 Hard to tap without detection


二. 發展史

1870: T. Tyndall: 光à水(波導)

1880:A. G. Bell: Photo-phone: wave guide theory

 (single dielectric medium waveguide)

1954:   H. Hopkins& N. Kapany

cladded dielectric

waveguide

1960: Ruby Laser

1962: 第一支半導體雷射(semiconductor laser)研發成功。

1964:     C.K. Kao & G. A. Hockman第一次成功作出光纖，其衰減為
1000dB/km。

1974:  0.2~2 dB/km

6.9    何謂「光電科技」


「光電科技」是光學與電子學相互結合與應用的科學及技術，其中光學包含了幾
何光學、物理光學與量子光學等基礎與其應用領域，而電子學則泛指電子相關科
技領域者。光電一詞習用的英文字彙有Electro-Optics (光電科技)、
Optoelectronics (光電子科技)、

Photonics (光子科技)等，這些用詞往往會隨著不同領域的研究者或研究內涵而
選用不同的名稱。一般而言，光電系統(electro-optic systems)包含四個組成
要件: (1)光源，(2)光的傳輸方式，(2)光偵測器，(3)光的處理方式。以下分別
介紹這些組件：


(1) 光源

光源(Light Sources)主要可區分為普通光源與雷射光源兩類。 通常，普通光源
發射非同調光(incoherent light)，即光波之間無固定的相位關係。 因此，這
類光源主要在提供光的能量(energy)以供照明、熱源等用途。常見的普通光源有
太陽、熱輻射燈(白熾燈、鎢絲燈)、氣體放電燈(鈉燈、汞燈、螢光燈)或新近發
展的半導體光源(白光LED)等。 雷射光源所發射的光為同調光(coherent light)
，即光波之間具有固定的相位關係。 常見的雷射光源有氣體雷射(He-Ne雷射、
Ar+雷射、CO2雷射等)、固體雷射(Ruby雷射、Nd:YAG雷射等)、液體雷射(染料雷
射等)、半導體雷射(GaAs、GaAlAs、GaN等)、其它雷射(準分子雷射、化學雷射
、自由電子雷射等)。由於這種光源具有單頻率、高強度、同方向準直等優良光
學特性，因此，雷射光源可謂現代光電科技中的靈魂，它開創與展現了光電科技
的春天與光明的未來。

(2) 光的傳輸方式

光的傳輸方式(Light Transmission)可分為導波式(guided)與非導波式
(unguided)傳輸。導波式傳輸係將光的傳輸方向與能量限制於某種介質之中的光
傳輸方式，例如：光纖(optical fibers)與光波導(optical waveguides)。非導
波式傳輸係指光訊號或能量直接在空間中傳送，例如：自由空間(例如：物體投
影、成像)與大氣層等。


(3) 光偵測器

光偵測器(Light Detectors)可概分為熱偵測器與光子偵測器兩種。熱偵測器係
指對光能量的吸收所產生溫度上升效應所設計的偵測器，例如：熱電偵測器
(thermoelectric detector)與壓電偵測器(pyroelectric detector)。光子偵測
器則係對光子的吸收時率所產生之計量，例如：光電二極體(photodiode)、光倍
增器(photomutiplier)、光導偵測器(photoconductive detector)、光影像偵測
器(CCD/CMOS image detector)等。人眼是一種類似CCD功能的絕佳的光偵測器。



(4) 光的處理方式

光的處理方式(Optical Processing)係利用光的某些特性進行調制(modulation)
、儲存(storage)、顯示(display)與計算(computing)等資訊處理。例如:調制─
調幅、調頻、偏極與相位調變; 儲存─光碟、全像術; 顯示─液晶顯示器(LCD)
、發光二極體陣列(LED)、場致發光顯示器(EL); 計算─光學互聯、光學處理器
、光子計算機。





   光電科技憑藉著光的優異特性與現代科技的進展已經廣泛地滲入各個科技領
域如圖二所示。光電科技不僅在基礎研究、生物醫學、能源材料、國防軍事等方
面已有許多深入而前瞻的學術研究，而且，對於目前高科技應用與產業，例如:
資訊通訊、環保、工業自動化等亦拜光電科技之賜而得以蓬勃發展。

基礎研究

雷射光譜/非線性光學/雷射

與物質交互作用/光動力學

國防軍事

雷射雷達/雷射導引/紅外線

追蹤/熱像與夜視/雷射武器

資訊/通訊

光學儲存

光電顯示

全像攝影

彩色印刷

光纖通訊

積體光學

工業自動化

雷射切割/點

焊/鑽孔

光電檢測

機器視覺

土木建築

雷射測距

準直儀

精密測定

生物/醫學

細胞刺激

雷射刀

內外科手術

腫瘤切除

皮膚治療

醫學儀器

能源/材料

太陽能發電/

電池

雷射核融合

光學晶體

材料處理

環保

氣污染偵測

毒性粒子測定

雲層厚度測定



光電

科技

圖二 光電科技及其應用領域

目前國內光電產業約可概分如下: 光電元件(如磊晶片、LED、CMOS sensor等)、
光電顯示器(如LCD 、OLED等)、光電顯示器(如LCD 、OLED等)、光資訊(含光輸
出入，如影像掃描器、數位相機、數位投影機等，與光儲存，如光碟片、CD-RW
、DVD等)、光通訊(如光通訊元件、光纖網路、光纖光纜等)與雷射及光電應用(
如各型雷射、雷射指示器等)六大類。國內科技研究單位(工研院、光電協會)調
查顯示公元2000年國內光電產業總產值已達3400億元(新台幣)，其中光資訊與光
電顯示器各約佔54%與35%為最大宗，如圖三所示。圖四為世界光電產業產值概況
(公元1999年)，這顯示了國內光電產業發展與世界潮流同步，並已佔了相當重要
的地位。

產值:3,425億元

成長率:56.2%

(來源:PIDA)

圖三 國內光電產業產值

世界光電產業產值

（1999年）

44%

14%

9%

27%

6%

光資訊

光電顯示器

光電(學)元件

光通訊

光電應用

產值:1,417億美元

成長率:15.7%

(來源:PIDA)



圖四 世界光電產業產值

6%

9%

參考文獻
[1].        李家同教授，幕永不落下。

[2].        詹姆斯 杜布森博士著，勇於管教。

[3].        宗客巴大師，菩堤道次地廣論。

[4].        石大成博士著，何謂光電。

[5].        J. Wilson and J. Hawkes, Optoelectronics an introduction.

[6].        B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics.

[7].        F. A. Jenkins and H. E. White, Fundamentals of Optics.

[8].        F. L. Pedrotti, S. J. and Leno S. Pedrotti, Introduction
to Optics.

[9].        J. R. Meyer-Arendt, M.D., Introdution to classical and
Modern optics.

--
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