所謂奈米玻璃(nano glass)並不是指微小玻璃，而是利用奈米規模(nano scale)的技術改變物性，並賦與新機能的玻璃而言。自古以來玻璃便常被用在各種容器及工藝品；資訊通信、建築、醫療器材等製品大多是無機非結晶材料為主，目前則要求更輕、更耐熱玻的玻璃特質，因而驅使新世代玻璃應用與奈米玻璃等先端材料的研究正式全面展開。

奈米技術控制結晶的size與形狀

由於最近發現量子size效果具有嶄新的光電特性，因此國外已開始著手進行基礎要素技術的研究。具體而言它是在均質溶融‧固化玻璃中析出微結晶實現負膨漲率之技術，或是利用奈米技術控制微結晶大小及形狀，進而開發熱膨漲率等熱物理及新型光學機構技術。

此外已有20年以上歷史的VAD法(付氣相軸法)所製作的光纖，微視而言它的組織結構是奈米(十億分之一米，1nm)級玻璃微粒子的凝聚體，然而有關光纖結構的奈米研究、控制或是利用量子size效果產生高亮度發光現象之機能性探索則有待努力。

奈米控制技術的研發目標

主要研發目標是鎖定在構造自由度(殘餘entropie)比結晶更大的無機非晶質材料的特性，藉由奈米控制技術可獲得突破性的性能，換言之它的標的物如(圖一)所示，為原子、分子規模之構造、超微粒子構造、高次構造等三大項目，並開發其相關控制技術。

原子、分子規模(其大小約為1nm)之構造：

利用組成控制或構造缺陷的導入控制局部配位子場進而開發出新的光電性能。

超微粒子(其大小約為1~數10nm)構造：

利用氣相法、溶液法等材料製程或超短脈衝(pulse)雷射光、超高壓、施加高電壓等，同時更藉由外部賦與能量，搭配微粒子、分相、結晶細孔周期配列控制技術的開發，創造出超高亮度發光體、環境賀爾蒙分離元件、光微積體元件等相關基礎材料。

高次構造：

利用有機、無機混合(hybrid)、異方性結晶析出和它的界面狀態控制，開發高次規模之異質(hetero)構造或周期規則構造成形技術，製作可運用於太陽電池、運輸機材、OA設備等領域之超輕量、高強度基板。

《圖一　奈米玻璃計劃三大目標》

以奈米玻璃技術製作多功能三維光學電路

如眾所周知，三維光學電路的功能凌駕傳統平面電子電路，為實現此目的必需開發相關的材料技術。首先根據奈米size異質項的量子效率賦與電子、磁氣、光學之特異機能(統稱奈米機能)，依此確認光學元件動作原理。換言之它是利用奈米玻璃本身具備的多樣機能製作三維光學電路，最後在玻璃內製作光學電路，並將各種光學元件微縮完成三維一體之超小型奈米玻璃光學微積電路。

Tera位元超高速通信

80年代初光通信是以每秒百萬(Mb)位元速度傳輸，90年代末10億位元傳輸開始商業化。隨著網際網路需求成長，傳遞資訊量以當初2倍速度成長，預估15年後同一光纖可作10 Tera位元的傳輸亦將進入商業化。然而若以目前的技術作延伸，同等比例時的傳輸成本，其消費能源對成本將急遽上升。此現象亦適用於超高容量儲存設備與高精細顯示設備。造成這現象主要原因是光通信、光儲存、顯示設備等光資訊技術相關製品、元件所使用的傳統材料必需提高其純度並改善製程才能符合上述需求，而具革命性的新型材料與製程的開發卻大幅落後時程需求。

因此有關內建光導波路、光開闢、光傳輸、光增幅、波長轉換器、分合波器、波長分波器、波長選擇filter之三維光學元件的研發愈形重要。利用原子、分子規模至數十奈米以上等級之奈米構造控制的玻璃，可按照量子效果達成電子磁氣、光學、化學等特異奈米機能。換言之奈米機能乃是三維光學元件不可或缺的基礎技術。

光導波器

未來能實現每一單位光纖可作10T位元/秒/1萬公里(無中繼每秒10T位元傳遞1萬公里)的超高速傳輸能力(目前為1T位元/秒/1千公里)的元件，祇有光機微積電路才能達成。具體而言它是利用超短脈衝(pulse)把光導波路燒入玻璃內，或利用雷射光把分合波用filter、偶合器(coupler) 燒入玻璃內。換言之未來必需配套開發超高感度玻璃與高精度雷射光描繪技術。

寬幅、高效率之光增幅元件

為實現每秒10 T位元超高速傳輸與1000channel多重(重疊)能力，必須將目前的波長範圍以低耗電技術利用光增幅器提高10倍以上，才能符合實際需求，其中最具潛力的是稀土類離子發光，或利用玻璃結構的欄柵振動產生Raman散亂之增幅效應技術。

效率上稀土類離子發光之材質會有頻寬過窄之缺點，後者雖然具有一定程度的自由調整空間但是效率極低，為彌補這些缺點透過新型增幅用玻璃的開發，可實現光纖或光導波chip寬幅‧高效率增幅的目標。

高速光開關、光隔離器、光導波器

光通信用光開關通常是將heater設置在光纖上，利用熱光效應(因溫度上升，折射率亦上升)達到開/關目的，或將非線形光學效果較大之結晶材料坎入光導波器途中作成光開關。前者應答速度非常慢，後者有成本極限之問題。而光隔離器或光導波器則使用各種結晶材料，各元件微體積化或低成本化時卻都遭遇到一定極限之困擾。

使用結晶材料之元件特徵為構造上是異方性(光學、磁氣異方性)，因此可利用玻璃的奈米構造控制技術有機會發現類似奈米玻璃特性。換言之以人為力量將光學、磁氣異方性的周期提高，之後檢討組成與操作技巧再確認磁氣與電氣之光學效果，同時建立將其機能作三維微積化技術是未來發展的方向。

大容量光儲存用材料(超解像膜)

將薄膜玻璃中的粒徑極為規則的奈米大小結晶粒子析出、分散，之後在此奈米玻璃薄膜照射雷射光，此時薄膜的折射率會產生變化，當雷射光束外徑減少時便發生可逆性的超高折射率變化。目前一般液晶等高折射率變化材料頂多祇有1%變化，但若用雷射光照射折射率變化量超過20%的材料可作為奈米玻璃材料來使用。此特殊現象適合大容量光儲存用材料之超解像膜，因為折射率變化變大時光儲存讀取面積可大幅減少，此外玻璃基板表層形成奈米大小的異質層，基板更容易達成高強度化、超平坦化，進而促成高速旋轉高速讀取之大容量光儲存碟片的早日實現。

超高亮度發光玻璃

雖然市面上已經有在溶液中發光效率約為10%的超微粒子，不過其壽命僅有數小時且非常不穩定更無法提高其濃度。若是可穩定保持玻璃中的高濃度，顯示器或夜間照明便可獲得發光玻璃。

為了要提高玻璃中發光超微粒子的濃度，例如利用逆分子團法(micelle)製作粒徑數10nm之玻璃微粒子，並在其中添加平均一個半導體微粒子，之後將此微粒子均質分散至玻璃中，此外諸如此類藉由超微粒子規則配置提高發光效率(目標為目前的100倍)手法仍有待進一步開發。

光開闢用非線形玻璃

含有超微粒子材料具有顯著量子效果，例如μ(百萬分之一)m大小時幾乎無法顯現之「量子封閉效果」，或奈米粒子的存在首度引發紅色著色之「表面plasmon效果」，以及近場所引起的「界面效果」均為典型代表。(圖二)為石英(SiO2)玻璃中析出奈米大小Cu(銅)的TEM(穿透式電子顯微鏡)照片。(圖三)為Au(金)/SiO2(石英玻璃中析出奈米大小金)、Ag(銀)/SiO2(石英玻璃中析出奈米大小銀)、Cu(銅)/SiO2(石英玻璃中析出奈米大小銅)三種薄膜堆疊時薄膜的吸收頻譜(spectrum)。

圖三中基於Au、Ag、Cu粒子特有的表面plasmon吸收，其吸收頻率分別是525 nm、406 nm、582nm。這些吸收一旦由周圍賦與光的電場，其吸光度會顯示極大變化之非線性特質，換言之可將光作為開闢使用，亦即所謂的超高速光學開闢之應用。

奈米規模之超微粒子可保有透光性，同時亦可溶入玻璃材料中，此外更可藉由外界電磁場進行配置操作等超微細控制，對於開發新機能具有非常大的貢獻，尤其是創造下一世代的光子(photonics)材料更形寶貴。

《圖三　三種薄膜重疊後之複合膜吸收頻譜分佈》