監測預警 有線還是無線？

小心啊，打雷囉，下雨收衣服啊！

氣象報告說好是晴天的，怎麼一踏出門就開始下雨了？

昨天都說要直撲的颱風，怎麼又彎出去了？

多麼希望天氣預報能做到百分之百正確，只要出門前問一下手機，就能確定今天是出大太陽還是午後雷陣雨，是幾點幾分在哪裡？又或是最重要的，颱風到底會不會來？

但你知道，現在的氣象預報，已經動用全球最強的超級電腦們了嗎？既然如此，我們現在的氣象預報能力到底有多準？我們什麼時候能徹底掌握這顆蔚藍星球上發生的所有天氣現象？

天氣預報有多困難？

雖然我們常常嫌說氣象預報不準、颱風路徑不準、預測失靈等等。但我們現在的實力如何呢？

目前美國國家海洋暨大氣總署的數據分析，對西太平洋颱風的 24 小時預測，誤差平均值約 50 英哩，也就是一天內的路徑誤差，大約是 80 公里。其他國家的氣象局，24 小時的誤差也約在 50 到 120 公里之間。台灣呢？根據中央氣象局到 2010 年的統計，誤差大約在 100 公里內。也就是臺灣對颱風的預測，沒有落後其他先進單位。

現在只要打開手機隨便開個 APP，就能問到今天的天氣概況，甚至是小區域或是短時間區間內的天氣預報。但在過去沒有電腦的時代，要預測天氣根本可以不可能（諸葛孔明：哪泥？）。

近代且稱得上科學的天氣預測可追溯回 1854 年，那個只能靠人工觀測的年代，英國氣象學家為了保護漁民出海的安危，利用電報傳遞來蒐集各地居民的觀察，並進行風暴預報。後來演變成天氣預報後，卻因為有時預報不準，預報員承受了輿論與國會批判的巨大壓力，最後甚至鬱鬱離世。

在電腦還在用打洞卡進行運算的年代，一台電腦比一個房間還大。氣象局要預測天氣，甚至判斷颱風動向，得要依賴專家對天氣系統、氣候型態的認知。因此在模擬預測非主流的年代，我們可以看到氣象局在進行預測時，會拿著一個圓盤，依據量測到的大氣壓力、風速等氣象值，進行專家分析。

當時全球的氣象系統，則是透過全球約一千個氣象站，共同在 UTC 時間（舊稱格林威治時間）的零零時施放高空探測氣球，透過聯合國的「World Weather Watch」計畫來共享天氣資料，用以分析。關於氣象氣球，我們之前也介紹過，歡迎看看這集喔。

也就是說，以前的颱風預測就是專家依靠自身的學理與經驗，來預測颱風的動向，但是，大氣系統極其複雜，先不說大氣系統受到擾動就會有所變化，行星風系、科氏力、地形、氣壓系統這些系統間互相影響，都會造成預測上的失準，更遑論模擬整個大氣系統需要的電腦資源，是非常巨大的。

那麼，有了現代電腦科技加持的我們，又距離全知還有多遠呢？是不是只要有夠強的超級電腦，我們就能無所不知呢？

有了電腦科技加持，我們的預報更準了嗎？

當然，有更強的電腦，我們就能算得更快。才不會出現花了三天計算，卻只能算出一個小時後天氣預報的窘況。但除了更強悍的超級電腦，也要更先進的預測模型與方法。現在的氣候氣象模擬，會先給一個初始值，像是溫度、壓力、初始風場等等，接著就讓這個數學模型開始跑。

接著我們會得到一個答案，這還不是我們真正要的解，而是一種逼近真實的解，我們還必須告訴模型，我容許的誤差值是多少。什麼意思呢？因為複雜模型算出來的數值不會是整數，而是拖著一堆小數點的複雜數字。我們則要選擇取用數值小數點後 8 位還是後 12 位等等，端看我們的電腦能處理到多少位，以及我們想算多快。時間久了，誤差的累積也越多，預測就有可能失準。沒錯，這就是著名的蝴蝶效應，美國數學暨氣象學家 Edward Norton Lorenz 過去的演講題目「蝴蝶在巴西揮動了翅膀，會不會在德州造成了龍捲風？」就是在講這件事。

回到颱風預報，大家有沒有發現，我們看到的颱風路徑圖，颱風的圈怎麼一定會越變越大，難道颱風就像戶愚呂一樣會從 30% 變成 100% 力量狀態嗎？

其實那不是颱風的暴風圈大小，而是颱風的路徑預測範圍，也就是常聽到的颱風路徑潛勢圖，​是未來 1 至 3 天的颱風可能位置，颱風中心可能走的區域​顯示為潛勢圖中的紅圈，機率為 70%，所以圈圈越大，代表不確定性越大。​

1990 年後，中央氣象局開始使用高速電腦，並且使用美國國家大氣研究中心 (NCAR) 為首開發的 Weather Research and Forecasting 模型做數值運算，利用系集式方法，藉由不同的物理模式或參數改變，模擬出如同「蝴蝶效應」的結果，運算出多種颱風的可能行進路線。預測時間拉長後，誤差累積也更多，行進路徑的可能性當然也會越廣。

「真鍋模型」用物理建模模擬更真實的地球氣候！

大氣模擬不是只要有電腦就能做，其背後的物理複雜度，也是一大考驗。因此，發展與地球物理相關的研究變得非常重要。

2021 年的諾貝爾物理學獎，就是頒給發展氣候模型的真鍋淑郎。他所開發的地表模式，在這六十年間，從一個沒考慮地表植物的簡單模型，經各家發展，變成現在更為複雜、更為真實的模型。其中的參數涵蓋過去沒有的植物反應、地下水流動、氮碳化合反應等等，增強了氣候氣象模型的真實性。

當然，越複雜的模型、越短的時間區間、越高的空間精細度，需要更強大的超級電腦，還有更精準的觀測數據，才能預測接下來半日至五日的氣象情況。

世界上前百大的超級電腦，都已被用來做大氣科學模擬。各大氣象中心通常也配有自己的超級電腦，才能做出每日預測。那麼，除了等待更加強大的超級電腦問世，我們還有什麼辦法可以提升預報的準度呢？

天氣預報到底要怎樣才能做得準？

有了電腦，人類可以紀錄一切得到的數據；有了衛星，人類則可以觀察整個地球，對地球科學領域的人來說，可以拿這些現實資訊來校正模擬或預測時的誤差，利用數學方法將觀測到的單點資料，乃至衛星資料，融合至一整個數值模型之中，將各種資料加以比對，進一步提升精準度，這種方法叫做「資料同化 (Data Assimilation)」。例如日本曾使用當時日本最強的超級電腦「京」，做過空間解析度 100 公尺的水平距離「局部」超高解析氣象預測，除了用上最強的電腦，也利用了衛星資料做資料同化。除了日本以外，歐洲中程氣象預測中心 (ECMWF)，或是美國大氣暨海洋研究中心 (NOAA)，也都早在使用這些技術。

臺灣這幾年升空的福衛系列衛星，和將要升空的獵風者等氣象衛星，也將在未來幫助氣象學家取得更精準的資料，藉由「資料同化」來協助模擬，達到更精準的預測分析。

如果想要進一步提升預報準度呢？不用擔心，我們還有好幾個招式。

人海戰術！用更多的天氣模型來統計出機率的「概率性模擬」

首先，如果覺得一個模型不夠準，那就來 100 個吧！這是什麼意思？當我們只用一種物理模型來做預測時，我們總是會追求「準」，這種「準確」模型做的模擬預測，稱為「決定性模擬」，需要的是精確的參數、公式，與數值方法。就跟遇上完美的夢中情人共度完美的約會一樣，雖然值得追求，但你可能會先變成控制狂，而且失敗機率極高。

不如換個角度，改做「概率性模擬」，利用系集模擬，模擬出一大堆可能的交往對象，啊不對，是天氣模型，再根據一定數量的模擬結果，我們就可以統計出一個概率，來分析颱風路徑或是降雨機率，讓成功配對成功預測的機率更高。

製造一個虛擬地球模擬氣象？

再來，在物理層面上，目前各國正摩拳擦掌準備進行等同「數位攣生 (Digital Twin) 」的高階模擬，簡單來說，就是造出一個數位虛擬地球，來進行 1 公里水平長度網格的全球「超高」解析度模擬計算。等等，前面不是說日本可以算到 100 公尺的水平距離，為什麼 1 公里叫做超高解析度？

因為 500 公尺到 1 公里的網格大小也是地表模式的物理適用最小單位，在這樣的解析度下，科學家相信，可以減少數值模型中被簡化的地方，產生更真實的模擬結果。

電腦要怎麼負荷這麼大的計算量？交給電腦科學家！

當然，這樣的計算非常挑戰，除了需要大量的電腦資源，還需要有穩定的超級電腦，以及幾個 Petabyte，也就是 10 的 15 次方個位元組的儲存設備來存放產出的資料。

不用為了天氣捐贈你的 D 槽，就交給電腦科學家接棒上場吧。從 CPU、GPU 間的通訊、使用 GPU 來做計算加速或是作為主要運算元件、到改寫符合新架構的軟體程式、以及資料壓縮與讀寫 (I/O)。同時還要加上「資料同化」時所需的衛星或是全球量測資料。明明是做氣象預報，卻需要等同發展 AI 的電腦科技做輔助，任務十分龐大。對這部分有興趣的朋友可以參考我們之前的這一集喔！

結語

這一切的挑戰，是為了追求更精確的計算結果，也是為了推估大魔王：氣候變遷所造成的影響必須獲得的實力。想要計算幾年，甚至百年後的氣候狀態，氣象與氣候學家就非得克服上面所提到的問題才行。

一百年來，氣候氣象預測已從專家推估，變成了利用龐大電腦系統，耗費百萬瓦的能量來進行運算。所有更強大、更精準的氣象運算，都是為了減少人類的經濟與生命損失。

對於伴隨氣候變遷到來的極端天氣，人類對於這些變化的認知還是有所不足。2021 年的德國洪水，帶走了數十條人命，但是身為歐洲氣象中心的 ECMWF，當時也只能用叢集式系統算出 1% 的豪大雨概率，甚至這個模擬出的豪大雨也並沒有達到實際量測值。

我們期待我們對氣候了解和應對的速度，能追上氣候變遷的腳步，也由衷希望，有更多人才投入地球科學領域，幫助大家更了解我們所處的這顆藍色星球。

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• 本文轉載自科技大觀園，原文為《放不放颱風假就看它！——幫助衛星精準氣象預測的「掩星技術」》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜曾繁安

新颱風生成後，大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大，以及——到底放不放颱風假？要能預測和評估颱風的走向影響，可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提，在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星，以及它們身懷測知氣象變化的絕技！

貢獻全球氣象資料，福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號（福三）執勤十年，為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料，可謂台灣在國際氣象上的外交大使，於減少天氣預報誤差的貢獻度上，更曾被評為全球前五。福三榮退後，接棒的福爾摩沙衛星七號（福七）也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星，而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系（constellation）。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士，使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域，提供即時而完整的三維觀測數據。

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是，它在南北緯 50 度間軌道繞行，主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估，它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例，可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%，協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七，究竟是怎麽辦到的？答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術，讓衛星成為太空中最精準的溫度計！

在天文學上，「掩星」指的是一個天體，在另一個天體與觀測者之間通過，產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」，也可以指前景中的物體，阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」，就是利用電磁波訊號在經過大氣層時，會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層，被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性，來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

衛星與衛星之間，本來因為地球的阻隔看不到彼此，但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」（TGRS），可以接受美國全球定位系統（GPS） 和俄羅斯全球導航衛星系統（GLONASS）全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著，通過計算電波訊號的偏折程度，就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用，而從 2006 年的福三，到如今福七計劃中積累的研究經驗，使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度，也擁有不需要大量接收訊號的衛星，就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢，不僅可以用作氣象預報，更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻，可以使天氣預報更精準

另一方面，除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度，在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素，也可以讓我們的天氣預報更精準！

過去礙於資料的取得有限，同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展，為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer )，讓東京大學的研究團隊，可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊，在氣象預報的模型中，第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

我們都知道，擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素，會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感，與一般的水分子 H₂O 相比，較重的水分子如 H²HO 或H₂¹⁸O 會更傾向於凝結成水珠，或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動，便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡，能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照，發現納入同位素的數據之後，氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度，尤其是中緯度及北半球地區，融合同位素資訊後，氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度，也都有所提高。雖然這只是初步的探究，但科學家期許，未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集，能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼，能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術，不僅能讓我們更精準預測氣象，在全球化的現代，也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神；各國對航太技術的投入與數據資源共享，更是科研工作與人類社會的一大福音。

參考文獻

• 福衛七號星系佈署完成
• Wikipedia-Radio occultation
• 掩星觀測簡述
• 福衛七號／何謂掩星技術？這裡一次解答
• 台灣太空科技扎根30年 未來1年1衛星發射
• Better weather forecasting through satellite isotope data assimilation
• IASI data product profile

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《太赫茲技術：6G 無線通訊與生物影像感測的希望之星》
• 作者 / 科技大觀園團隊｜簡克志

「太赫茲」是物理單位，英文為 Terahertz（THz），字首「Tera-」是 10¹² 的意思，所以太赫茲就是 10¹² 赫茲，也就是每秒 10¹² 次的意思，亦可翻譯為「兆赫茲」。目前常聽到的「太赫茲」，其實是指太赫茲波段，就是電磁波的一組特定波段，頻率範圍是 0.1 THz～10 THz，對應電磁波波長為 3 mm～30 µm，介於微波和可見光之間，因此也稱為毫米波和次毫米波。

研究太赫茲技術的清華大學電機系助理教授楊尚樺認為，對一般人來說，「太赫茲」依然是陌生名詞，因此就像之前的「奈米」和「量子」一樣，被許多廠商拿來當成行銷用語。 

太赫茲波段有什麼特別的？

楊尚樺強調，太赫茲波有三個特點：辨識化學分子、透視和不破壞生物體。不同波段的電磁波和物質都有很特殊的交互作用，比如說可見光就和人眼細胞有互動（註 1），柱狀和錐狀細胞可以感知可見光波段。相對地，太赫茲波可以辨識出特定的化學分子，得知物質成份，可應用在分析藥品、毒品或蛋白質的種類等。 

另外，太赫茲波可以做到「透視」，人眼看不到的東西，太赫茲波可以穿透表層到達內部。以行李箱為例，太赫茲波可以偵測行李箱裡面是什麼，可應用於機場安檢與毒品檢測。而且太赫茲波不僅可以檢測固體，還可以檢測液體和氣體。 

 太赫茲波的「透視」有別於 X 光檢測。人體的生物分子（如 DNA、RNA）照射 X 光會受損，因為光子能量太強，容易把分子裡的電子打出來，成為游離電子；而失去電子的分子變得不穩定，會引發人體罕見與不正常的化學反應。反之，太赫茲波的光子能量很小，無法破壞生物分子，更無法將分子內的電子游離出來，因此太赫茲波對生物體是安全的。 

太赫茲波可以做到非破壞性的偵測，很適合工業製造與品質管控的應用，例如半導體廠在晶片封裝之後，檢查內部有無斷線，或是評估 3D 晶片封裝是否完好；藥廠則可以檢查膠囊成品內部有無破損等。

太赫茲技術前景看好

提到當初為什麼想要研究太赫茲技術，楊尚樺笑著說：「其實是有點誤打誤撞。」2011 年楊尚樺申請密西根大學博士班面試時，未來的指導教授Prof. Mona Jarrahi 提到實驗室是做太赫茲技術，這是他首次聽聞這個名詞。當時臺灣僅有少數團隊研究太赫茲科學與技術，多為物理系或應用物理的學者，太赫茲相關元件（發射器或接收器等）也很難取得。 

跟隨著 Mona Jarrahi，楊尚樺從太赫茲最重要的元件「太赫茲發射源」（terahertz emitter）開始接觸，博士班念到第 4 年和第 5 年時，他開始懷疑這項技術是否在 10 年內真的有出口。「因為遇到的困難比你成功要多很多，幾乎都是困難的，看不到出口的，出口的光相當微弱」，楊尚樺說道。 

甚至後期和指導教授 Mona 討論未來任教是否繼續研究太赫茲技術時，楊尚樺坦白和 Mona 說不會。當時專注在工程技術的楊尚樺認為，在許多人類所需的工程應用上，太赫茲很難和其他相對成熟的領域競爭，前景相當限縮。Mona自然不這麼認為，卻也沒有多說什麼。 

後來，在申請教職的期間，楊尚樺從更全面的角度看待太赫茲技術，不只看業界技術和資金來源，更看向 10 年後和 20 年後的研究發展。他認為如果太赫茲元件能夠量產，且 6G 無線通訊帶來大量市場需求，應可克服許多困難。再來，太赫茲研究對於學界是有挑戰性的問題，不僅符合臺灣半導體、電子、光電通訊產業的脈絡，又有很多題目，可以做長期的研究，很有發展前景。

檢測晶片內部破損、超感知透視藝術文物

現在楊尚樺實驗室的研究核心是太赫茲裝置（Terahertz Device），可分為主動元件和被動元件。主動元件包括最重要的太赫茲發射源或是太赫茲探測器，被動元件則有太赫茲透鏡或太赫茲的訊號與空間調變器等。有了這些元件，就可以做出想要的太赫茲系統。 

楊尚樺目前已做出一套影像系統，用於工業破損檢測時，可以看出晶片內部的破損，或是看太陽能板裡面的隱裂位置和大小。這套影像系統還可以用來觀察植物，例如豆莢內部的豆子長得如何，以及水分子輸送的情況。生醫用途上，也可以從混和物中準確辨識出血糖、胺基酸和蔗糖的成份與比例。以上，是屬於太赫茲光譜學（Terahertz Spectroscopy）的應用。 

與影像系統有關的，還有超感知（Super sensing）的研究，例如太赫茲波可以直接看透一本書，在不碰觸到書的情況下，把每一頁的訊息解析出來。而且太赫茲波段不會破壞物質分子，也相當適合用來解析故宮文物，讓文物修復更順利。楊尚樺笑著說，如果有機會的話，真的非常想看看裡面藏有什麼祕密。 

楊尚樺指出，2013 年國外太赫茲團隊曾經發表過一項有趣的研究。知名的西班牙畫家 Goya，平常在作品上一定都會簽名，但是有一幅畫作「Sacrifice to Vesta」很特別，從整體風格來看，大家都認為是 Goya 畫的，卻看不到簽名。 

因此 C. Seco-Martorell 等人就用太赫茲影像系統解析了這幅畫，才發現原來 Goya 把自己的簽名簽在畫作底下，被上層的顏料蓋住了，他們將結果發表在光學期刊《Optics Express》（參考資料 1）。  

從影像系統邁向 6G 應用

除了影像系統外，楊尚樺團隊也努力將太赫茲技術應用在 6G 無線通訊的產業鏈之中。目前的工作主要是將 5G 的通訊系統頻率範圍轉移到太赫茲頻率範圍（0.1 THz～10 THz），同時要把很高速的訊號加載在太赫茲的載波頻段（註2）上，目標是做到每秒可傳輸 10¹² 位元，也就是在一秒要加載 10¹² 個 0 或 1。 

現在相關研究遇到了一些困難，與太赫茲元件有關。雖然從 5G 到 6G（太赫茲頻段）的頻寬擴大許多，但是系統的發射端和接收端是否能夠運作？如果太赫茲發射源能量很低，訊號很難到達接收端。如果太赫茲接收器不夠靈敏，也很難獲取資料，並且也要確保龐大的資料量得以順利解碼。 

為了評估通訊系統是否夠好，也可以從訊噪比（訊號和雜訊的比例，Signal-to-noise ratio）來看，如果訊號和雜訊的比例愈高，訊號就愈乾淨，也更容易成功解碼。因此，提升訊噪比也是將來改善的重點。

仍有重重困難有待突破

太赫茲系統為什麼難以量產？相關元件非常昂貴，市面上買不到整套消費級的太赫茲系統，一套系統造價約數萬到數十萬美元，公尺級別的大尺寸也相當占空間。 

楊尚樺表示，目前技術的最大問題在於「太赫茲發射源」，大家還不知道如何做出完善、實用、微小又可在室溫環境操作的太赫茲發射器，只能先借助過去的知識幫忙。太赫茲波段落在微波和可見光之間，是電學領域和光學領域的交集地，微波那端研究電學的人，會想要把頻率做高，靠近太赫茲波段；但是元件頻率愈高，電容影響愈大，輻射功率會急速下降。 

另一方面，電磁波段高頻那端研究光學的人，會從材料著手，通常會選用不同能隙（energy gap）大小的材料測試，比如說藍光 LED 的氮化鎵（GaN），能隙大，輻射出的光子頻率較高。如果要將輻射頻率降低，靠近太赫茲波段，能隙要夠小，但自然界找不到可以直接輻射出太赫茲波的窄能隙材料，必須要用特殊的技術才有辦法達成。 

即便達成了上述的窄能隙條件，例如輻射出頻率 1 THz 的光子，對應的能隙能量是 4 meV（milli-electron volts，能量單位），這個能量已經小於室溫下電子熱擾動的動能（幾十個 meV），所以很難控制每個電子從能隙掉下來的時機，以便讓材料發出一致的同調光。必須要在極低溫，例如低於 -196.15 °C（77 K）的液態氮環境下，才有辦法達成。 

楊尚樺強調，不論是電或光的方式，都很難在太赫茲波段輻射出足夠的功率，也就難以做出好的太赫茲發射源。發射源就像一支手電筒，如果不亮（功率不足），就無法探測周圍的環境，更不用說還要傳遞什麼訊號了。 

「太赫茲發射源」目前還沒有找到完美的解決方案，不過楊尚樺團隊已經可以做到足夠亮的發射源，下一步要往可量產、輕巧化的太赫茲發射源邁進。為了搭配臺灣在半導體製程的專業，除了主流的 III – V 族光電元件之外，更開發 IV 族光電元件，目前實驗室已可獨立實現這兩類的主／被動元件。 

楊尚樺團隊的 10 年研究目標是將整個太赫茲系統微縮到晶片大小（毫米等級，mm），這樣才有辦法讓太赫茲技術進入一般民眾的生活。

年輕學者如何在教學與研究中取得平衡？

在清大做研究的負擔很重，而楊尚樺也熱衷於教學，所以兩邊都忙，「我也不知道我有沒有取得平衡。」楊尚樺笑著說。他認為一般人都會直觀認為教學就是在課堂上教學生，但其實研究同時也是教學，因為必須讓本來習慣在課本做習題的學生，轉換成可以實作的初階研究者，這本身就要花很多心力教導。同時，行政角色上的導生，又或是其他系的學生，如果對太赫茲研究題目有興趣，他也會予以指點。 

「總之，做就對了！」他說道。在授課的同時，自己本身也會感受到某方面知識不足，會特別去學習。還有，因為在教學時強烈感受到每一屆學生思考模式都不同，所以楊尚樺認為不可能用同一套教學方法教 3 年，必須要想新招。每次看到學生學會知識有所成長，心中就很有成就感。

要做自己有熱情的工作

楊尚樺認為，從他帶過專題的清大大學部學生和研究生來看，絕大多數都很積極，有很多東西想學。甚至有的學生不只在他這邊做研究，也同時要求自己在臺灣大學或是中央研究院做其他領域研究。通常多工的研究路線會需要儲備更多的專業知識，以及分散研究力道，導致多方都做不好的情況。而這些學生卻產出了不錯的成果，讓他感到相當驚訝。

不過，楊尚樺也提到，就他在學校的觀察，清大表現不錯的學生，普遍也都非常焦慮。即便在課業上、研究上、綜合表現上的成果在他看來已經相當出色了，但學生依然覺得想要再多做一些事情補強。這種好學和堅毅的態度，楊尚樺打從心裡給予高度肯定。然而，讓他覺得不好的原因在於：學生無法專注做好一件重要的事。若伴隨著患得患失的心態，卻沒有發展適合自己的主要路線，即便真的做了更多的事，表現往往也不會更好。換句話說，學東西不是因為想要學多而去做，而是自己本身有強烈的動機想要專注學習。 

楊尚樺看過一些很厲害的學生，他們並沒有一個好的目標，而且做事時會很快去計算短期之內能夠看到什麼樣的效益。沒有看到可能的效益，就很有可能會轉向。這些學生不怕做事情，怕的是沒有看到短期內的回饋，這其實不是好的學習態度，因為有些工作的效益，是不能只看短期的。 

最後，楊尚樺也勉勵清大的學弟妹，要做自己有熱情又喜歡的事。因為如果你在做「別人」認為不錯的事情時，若這件事和你的興趣並不相符，當過程中遇到挫折時，就很容易考慮要不要往另一個方向走，而沒有辦法堅持下去。 

但是，如果你是做自己有熱情的事情時，不管遇到什麼困難，你會廢寢忘食地不斷破關，獲得很多技能，當解決一個難題之後，你還會願意挑戰下一個關卡。看到的危機多了、功夫下得深了，你就比別人有更好的危機處理能力。堅持的道路上走得會比別人長、比別人久，你的獨特性就出來了，就比較容易出類拔萃。 

注釋

• 註 1：不只人眼細胞，許多地球上的生物都和可見光有互動
• 註 2：載波頻段（Carrier frequency band）：用以乘載資料的電磁波頻率區間。 

參考資料

1. Seco-Martorell, C., López-Domínguez, V., Arauz-Garofalo, G., Redo-Sanchez, A., Palacios, J., & Tejada, J. (2013). Goya’s artwork imaging with Terahertz waves. Optics Express, 21(15), 17800. https://doi.org/10.1364/oe.21.017800