什麼是光電技術？

光電 (也稱為光電學) 不僅是光子學的一個子領域，也是一個結合光學和電子學的跨領域科學，推動了通訊、成像、感應與能源技術的創新發展。光電技術介於這兩個科學領域之間，但其獨有的裝置類別會涉及光線發射或偵測。

其原理在於，光電裝置會將光能轉換為電能輸出，或是將電能輸入轉換為光能。光電裝置也可以歸類為傳感器 (transducer)，因為它們會將一種型態的能量轉換為另一種型態的能量。

光電裝置對於許多高科技產業至關重要，包括汽車、軍事與國防、航太、能源、醫療、消費性電子和電信產業。當前使用的一些主要光電元件包括：

• 光電二極體
• 雷射二極體
• 發光二極體 (LED) 和微發光二極體
• 光電電阻器
• 太陽能電池 (光伏)
• 光纖纜線
• 光電電晶體
• 光偵測器

在這些產業中，光電裝置廣泛應用於各種領域，包括：

• 攝影機
• 醫療成像/醫療感測器 (內視鏡等)
• 醫療診斷 (心率監測器等)
• 光學雷達和其他汽車感應器
• 顯示器
• 遠端引導系統
• 雷射
• 日常電子產品，從智慧型手錶到 LED 照明、咖啡機和現代家用電器
• 光敏感切換裝置
• 雷射印表機

傳統半導體電子和光學元件皆使用電子來傳輸電磁資訊訊號。與傳統電子學不同，光電技術還包含光發射出的資訊，包括紫外線、可見光和紅外線波長。

不同於被動塑造光線形狀的純光學系統 (如鏡子、鏡頭和濾波器)，光電裝置會主動轉換光線和電子訊號，奠定了相機、光纖、雷射和光偵測器等技術的基礎。這些裝置會更直接地與通過光學元件的光波電磁場相互作用，例如偏振。

光電子學也與電子光學裝置相關，但兩者之間存在差異，屬於兩種類別的混合光電裝置。

光電和電子光學裝置都會與光波和電場相互作用，但相互作用的方式各不相同。光電裝置會將電子訊號轉換為光學訊號，反之亦然；而電子光學裝置的研發重點則放在電場如何利用裝置中材料的光學屬性來控制、調變和操控光線。電子光學裝置的一些範例包括光學開關、調變器和高頻放大器。

光電裝置奠基於多種基本機制：光電效應、光伏效應、電激發光和受激輻射。

光電效應

光電效應是指光照射到材料時，電子會從材料發射出來。光子的能量與其頻率直接相關，如果其能量超過材料的功函數，就能夠提供足夠的能量來產生這種電子逸出。

許多光電裝置都依賴這種光電效應來運作。例如，光電二極體會利用它來偵測並將光轉換為電子訊號，光電晶體會利用光電效應來放大感測器和開關中的光訊號，而太陽能電池則會利用這種效應作為將光直接轉換為電力的部分機制。

光伏效應

當電子受到光線照射後停留在材料中時會產生光伏效應，此時電子的能量狀態會高於其自然狀態。光的能量會造成電子和電洞電荷載子在半導體接面上移動，進而產生電流並傳輸至外部電路。太陽能電池使用此種效應，利用太陽光產生電壓和電流，此種效應也應用於光電二極體和光電電晶體上。

電激發光

電激發光是指當固體材料在與電場或電流的相互作用下激發出光子的一種光學現象。這種現象會讓電子和電洞電荷載子在輻射複合過程中激發並釋放能量，其中電子會以光子形式釋放能量。電激發光可在半導體材料中被觀察到，並應用於顯示技術中。

受激輻射

受激輻射是一種光學過程，可讓激發態原子中的電子，在特定頻率與光子相互作用。受激發的電子會降低其能階，並將能量傳輸至局部電磁場中。這會產生一個新的光子，其偏振方向與入射光波相同，頻率也相同，使這兩個光子具有相干性。此過程會放大光學訊號，通常用於產生雷射光。

光電裝置有許多種應用方式，這些應用方式可以在我們家中的日常電子產品中看到，也可以在高科技產業中看到。在這裡，我們將深入研究其中幾種應用範例。

汽車感測器

使用光電元件的車輛都已加裝了多種感應器，包括：

• 互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 感測器：用於偵測自動駕駛車輛和先進駕駛輔助系統 (ADAS) 中的局部環境
• 電荷耦合元件 (CCD) 攝影機：另一款用於自主性作業的成像攝影機，特別適合在低光照條件下使用
• 光學雷達：追蹤障礙物和車輛，以建立車輛周圍局部環境的 3D 地圖，廣泛用於自動駕駛車輛和先進駕駛輔助系統 (ADAS)

隨著車輛開始具備更多自動駕駛功能，例如 ADAS，倒車輔助攝影機和自動駕駛輔助系統，更先進的光學感應器也陸續被整合在車輛中。其中一些技術是以可見光為中心，另一些則以傳輸和接收紅外線訊號為中心。目前，被動式和主動式感測器都被用於更好地理解車輛周圍環境。隨著汽車產業朝向更高階的自動駕駛車輛發展，勢必將整合更多以光電技術為基礎的感測器，以提供更先進的車輛周圍環境感知功能。

電信

光電技術對現代電信至關重要，除了光纖之外，雷射和光電積體電路 (PIC) 也都是相當關鍵的現代科技技術。

在這些系統中，半導體雷射二極體會將電子資料轉換成光，並以脈衝形式導入光纖，並長距離傳輸。這些訊號會利用光纖核心與包層之間的折射率差作為導引 (波導)，讓光沿著光纖傳輸。在另一端，由光偵測器組成的收發器會將光轉換回電子訊號。此過程利用光將電子資料從一個位置傳輸到另一個位置，因為光的長距離移動速度比電子快得多。

越來越多的這類零件 (雷射、調變器和偵測器) 正被整合到小型晶片 (前述的 PIC) 中，用於讓網路變得更快、更小且更有效率。這種配置方式可讓網際網路和行動網路高速處理大量資料。

醫療成像/攝影機

在醫療領域方面，光電裝置已被用於內視鏡中。光電技術可使內視鏡變得更小，這意味著隨著光電技術的持續微型化，這種程序的侵入性也會變得更小。

除了傳統的內視鏡手術之外，光電技術也有助於開發更先進的新醫療方法。其中一個範例是可被當做藥丸般吞入的膠囊攝影機。此款攝影機會在經過胃腸道系統時拍攝照片，過程比一般的內視鏡程序更舒適。

消費性電子產品

在許多消費性電子產品中都能看到光電子學的應用。幾乎任何整合了照明與顯示器的現代設備都是利用光電學原理發光。例如：

• ‌LED：LED 是廣泛用於日常生活中的照明產品；它是消費產品的美學照明來源；其高畫質和低能耗的特性，也被應用在 LED 和有機發光二極體 (OLED) 電視、智慧型手機、筆記型電腦和電腦顯示器等產品上。
• 影像感應器 (CCD、CMOS 感測器)：這些感測器常用於多種影像和視訊消費性產品，例如數位相機和網路攝影機。
• 其他感測器：還有其他許多種光電感測器也會應用在消費性電子產品中。重要的範例包括：用於遙控的紅外線感應器，用於 AR/VR 頭戴式裝置的深度感測器，以及用於智慧家庭自動化的光學運動感測器。
• 雷射二極體：雷射二極體用於通訊技術、光學儲存技術和條碼掃描器中。
• 光耦合器 (光隔離器)：此種光學互連技術利用光在積體電路之間傳輸電子訊號，同時讓電路處於隔離狀態。此技術廣泛應用於電源、馬達、資料擷取系統和通訊介面中。

太陽能電池

太陽能電池本身就是一種光電裝置，但其應用領域非常廣泛，特別是在當今推動減碳能源發展的時代，許多太陽能面板已被安裝並加入電網中使用。太陽能面板可安裝在住家和商業場所，並以太陽能面板陣列形式應用於大型公用設施場所。

太陽能電池有許多類型，從傳統的矽太陽能電池到石墨烯增強型太陽能電池、Perovskite 太陽能電池、有機太陽能電池、柔性和透明太陽能電池，以及染料敏化太陽能電池 (DSSC)。太陽能電池也使用單一 p-n 接面或多接面，並以單面板或雙面模組的形式在市面上出售。

由於光電裝置有許多類型，因此其優勢與個別裝置及其整合的應用技術相關。光電裝置的優點包括：

• 攝影機可以清楚辨識並識別前方的物體，而純電子系統，如雷達只能偵測物體，而不能識別物體。
• 在能源效率、亮度和畫質方面，LED 照明裝置可說是沒有競爭對手。
• 光電裝置為通訊技術的應用提供了更高的頻寬。
• 光電裝置的耗電量低於許多電子裝置。
• 與電子系統相比，光電裝置可以在更長的距離範圍內傳輸資訊和數據。
• 光電裝置的成本效益優於許多電子裝置。

光電裝置的缺點包括：

• 雷達可在多種環境中 (包括霧中) 運作，而攝影機和光學雷達在惡劣環境中可能發出假警報。
• 相機比雷達更昂貴。
• 製程中的微小變化/缺陷都可能會對裝置效能產生重大影響。
• 根據應用方式的不同，要將光電裝置整合至現有架構中可能具有一定的難度。
• 散熱是光電裝置的一個大問題。隨著光電元件變得更小，功率需求更高，需要研發新的散熱管理方法來確保元件不會過熱而損壞。

光電裝置的製程至關重要。光學元件上的任何微小粉塵都可能導致感應器無法正常偵測環境，而半導體電子產品中的任何瑕疵，都可能在光學與電子訊號之間轉換時造成處理錯誤。

為了因應對連續原型設計的需求，模擬技術有助於：

• 建立具有整合式光電元件的產品，並驗證其功能
• 確定最佳材料選擇
• 模擬光波如何與裝置的相互作用
• 瞭解光學元件如何融入更廣泛的電子系統
• 設計光學元件，並觀察光學元件整合至機械式輔助系統時產生的機械效應 (如雙折射)
• 觀察環境刺激 (例如熱、氣流或液體流動) 對光電裝置的影響
• 為設計和製造光電裝置的工程式節省金錢與時間
• 探索可能無法單透過實驗方法來消除的行為

Ansys 提供以下用於模擬光電裝置的工具：

Ansys Lumerical 軟體：Lumerical 軟體主要用於模擬光電裝置的奈米光子行為。此款軟體可用於觀察光波長如何被吸收，並與光學元件相互作用。

Ansys Zemax OpticStudio 光學系統設計與分析軟體：OpticStudio 軟體可設計和分析用於控制和引導光的光學系統，包括鏡頭、波導和光子電路。此款軟體廣泛用於光學通訊和 PIC 領域。

Ansys Speos CAD 整合光學與照明模擬軟體：Speos 軟體可模擬光在真實環境中的行為，利於評估系統級的光學效能。此款軟體會使用 OpticStudio 軟體中產生的資訊來觀察光學電子裝置在複雜應用情境中 (例如整合到汽車中的攝影機或駕駛艙中的 AR 顯示器) 的影響和行為。

Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體：Mechanical 軟體可用於觀察光電裝置所用材料的屬性，系統的熱資訊，以及任何潛在的機械問題。

原始設備製造商 (OEM) 持續為各行各業開發全新且更先進的光電元件。為滿足現代技術對於尺寸的要求，光電子學將持續微型化，未來有許多裝置可能都是 100% 的光子系統。量子光電學是另一個未來幾年可能崛起的領域，它建立在目前量子電子學和量子光學的成功基礎上。

此外，另一個將會持續發展的領域就是光電設計的永續性。隨著世界上許多有限的天然材料越來越難以取得，改用更環保或回收材料將是大勢所趨。而主要的發展將側重於，以更少的原材料或更新、更永續的材料，獲得相同的準確度和/或效能。

如果您想瞭解模擬方法如何協助您設計更強大且更高效能的光電裝置，請聯絡我們的技術團隊。

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