基本要素與架構

(1)鏡面鍍膜

為能有效的使用外腔式雷射，通常會在雷射的出光面作極低的抗反射鍍膜以提升 其出光的穩定性，並可顯著地增加可調變的波長範圍與雷射的出光強度。鏡面鍍膜的 好處為可保護鏡面免於氧化，避免多於的光損耗發生在鏡面而造成能量的浪費；另外，

也可藉由控制鏡面鍍膜的反射率高低來調整所需的出光量大小。

最簡單的抗反射鍍膜( AR coating )為單層的介電材料( dielectric material )，而介電 材料的折射率 與厚度 皆要要符合式(3-1)，其中 為雷射外部介質的折射率(通 常為空氣, )，而另一邊的介質是由有限寬度的主動區與其他材料橫向地組合而 成，因此 為雷射主動區的等效折射率。

, (3-1)

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但由於要精準地控制單層介電材料的折射率與厚度在鍍膜技術上有一定的困難度，因 此可以藉由多層的介電質鍍膜( multi-layer dielectric coating )來拓寬低反射率的所涵 蓋的範圍，並可同時提升鍍膜時每層介電材料所允許的誤差值。

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(2)準直儀：非球面透鏡( Aspherical Lens )

鑑於多層堆疊量子點為主動區的邊射型( edge emitting )半導體光源其主動區通 常很厚( 0.3 ~ 0.5 um )導致其本身固有的發散角很大。為了使雷射的輸出光有效的打 入 繞 射 光 柵 ( Diffraction Grating ) 而 不 造 成 光 源 的 損 失 ， 通 常 會 選 擇 使 用 ( numerical aperture )較高、低波前扭曲( wavefront distortion )、沒有球面像差( spherical aberration )的非球面透鏡用來收集雷射光使之變成平行光。理想上，此非球面透鏡在 兩邊表面通常會做抗反射鍍膜，讓所需波段的光能夠通過此透鏡，並且所造成的色散 ( scattering )必頇是可被忽略的，以盡可能減少鏡面的損耗( cavity loss )。或可選擇使 用透鏡組( collimating lens system ) [22]，有效的控制平行光光點的大小( spot size )，

再將光點打入繞射光柵，可讓輸出的單模雷射特性更好。圖 3-4為 與雷射發散角 以及非球面透鏡的焦距 、直徑 的關係圖。

圖 3-4 與雷射發散角以及非球面透鏡焦距 、直徑 的關係圖

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(3)外部模態選擇濾光鏡：繞射光柵( Diffraction Grating )

繞射光柵( Diffraction Grating )的組成通常為在同一折射率的材料中週期性的改 變其厚度，如圖 3-5 為一光柵的橫向剖面圖，厚度改變的週期 通常稱做 groove spacing 或 grating spacing。從圖上可知，當某特定波長的光束入射到光柵上時，數個 週期的條紋( groove )將光分解成一個波前，而此反射波前的角度則由建設性干涉 ( constructive interference )成立時所決定，也就是當每一週期性條紋所反射的光之間的 光程差( path difference )為波長的整數倍時，干涉條件也就成立。而不同的光程差也 造成不同角度的干涉光，因此有光繞射的階數 ( diffraction order )，下面為 grating equation：

(3.3)

其中 為入射光的波長， 為光束的入射角( incident angle )、 為反射光的繞射角 ( diffracted angle )，而圖上左右邊的正負號分別表示由 grating equation 計算出的角度 正負值，正負角度分別表示兩相反的入射或反射方向。

圖 3-5 繞射光柵的橫向剖面圖與波前示意圖

接著考慮在 架構下，也就是入射角 與繞射角 角度相同時，繞射的光可以 反射回原入射方向，在此情況下，grating equation 可變成如下：

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光柵耦合外腔式雷射兩大基本架構[23]

而外腔式雷射( External Cavity Laser Diode, ECLDs )根據幾何架構的不同可分為 兩種類型。第一種為 Littrow 架構，藉由直接轉動光柵來控制回饋光波長而達到調變 的作用，如圖 3-7所示，此種架構較為簡單，選定好所欲使用的光柵條紋數，接著利 用 grating equation 計算光柵所需擺放的角度，使雷射的一階反射光可反射回原路徑即 可。第二種為 Littman 架構，如圖 3-8所示，此種架構多一面平面反射鏡，將雷射光 束打到固定不動的光柵上，使一階反射光可垂直的打到平面反射鏡，接著轉動此平面 反射鏡來決定反射回光柵的波長，所以光束又再度打到光柵上反射回原入射方向。由 於第一種的 Littrow 架構設計較為簡單，因此我們初步選擇設計此類架構來實驗。

圖 3-7 Littrow 架構示意圖

圖 3-8 Littman 架構示意圖

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