本章說明實驗量測的結果並就結果做出說明跟討論。首先介 紹外腔雷射特性量測的結果，再來說明兩雷射拍頻訊號的量測，最後 講到兩雷射頻率互鎖的結果。
4-1 雙波長半導體雷射 4-1.1 外腔式半導體雷射特性
在具有外腔的情況下，我們的半導體雷射具有輸出波長可調 的功能，利用微調反射鏡的水平角度我們可以調整輸出光的波長。圖
（4-1a）中所示為外腔式半導體雷射一號的光譜圖，圖中紀錄著在外 加電流 60mA 時我們調整不同波長的光譜，由圖可知本實驗中的此外 腔半導體雷射其輸出波長最小約為 834.808nm、最大約為
837.940nm，波長可調範圍約在 3nm 左右，對應到頻率可調範圍約為 1.3THz。
圖（4-1b）中所示為外腔式半導體雷射二號的光譜圖，圖中 紀錄著在外加電流 60mA 時我們調整不同波長的光譜，由圖可知本實 驗中的此外腔半導體雷射其輸出波長最小約為 834.884nm、最大約為 837.628nm，波長可調範圍約在 2.744nm 左右，對應到頻率可調範圍 約為 1.2THz，適合用來作為 THz 領域中的應用。
8 2 5 830 8 3 5 840 8 4 5
架設外腔式半導體雷射還有一個優點就是可以降低雷射的線 寬，因為長的共振腔可以抑制雷射介質中的原子產生自發放射。圖
（4-2a），（4-2b），（4-3a），（4-3b）是我們利用 F-P 干涉儀來觀察雷 射的線寬。
由圖（4-2a）中所示外腔雷射一號，在無外腔情況下時，雷 射線寬約為 28MHz；由圖（4-2b）中所示，在有外腔情況下時，雷射 線寬約為 19MHz。
由圖（4-3a）中所示外腔雷射二號，在無外腔情況下時，雷 射線寬約為 17.3MHz；由圖（4-3b）中所示，在有外腔情況下時，雷 射線寬約為 14MHz。
經比較在有無外腔作用的情況後，我們可以發現使用外腔確 實具有降低雷射線寬的功用，將雷射線寬降低有助於我們在做雷射互 鎖實驗時的效果。
圖（4-2a）無外腔時，雷射一號線寬約為 28MHz
圖（4-2b）有外腔時，雷射一號線寬約為 19MHz
圖（4-3a）無外腔時，雷射二號線寬約為 17.3MHz
4-1.2 雙波長雷射輸出特性
我們利用 PBS 將兩個外腔雷射光重合並調整到同軸，再將光 經由光纖送入光譜儀中觀察重合雷射光的光譜。
圖 4-4 所示為在外加電流 60mA 時當我們固定外腔雷射一號波 長λ1 為而調整外腔雷射二號波長λ2 時的光譜。圖中λ1 為
834.480nm，λ2 由 837.480nm 調至 834.720nm，波長差∆λ 的變化範 圍為 0.240nm 到 3nm。對應到頻率的可調範圍約為 1.2THz，適合用來 作為產生 THz 的光源。
圖（4-4）
λ
1固定時，λ2 可調範圍圖 4-5 所示為在外加電流 60mA 時當我們固定外腔雷射二號波 長λ2 為而調整外腔雷射一號波長λ1 時的光譜。圖中λ2 為
837.480nm，λ1 由 834.680nm 調至 837.240nm，波長差∆λ 的變化範 圍為 0.240nm 到 2.8nm。對應到頻率的可調範圍約為 1.1THz。
圖（4-5）λ2 固定時，
λ
1可調範圍我們也透過 F-P 干涉儀來觀察雙波長輸出的情況，其結果如 圖 4-6 所示，可以看到代表兩個波長的尖峰出現在三角波的上升區 段。
圖（4-6）F-P 干涉儀觀察雙波長輸出情況
4-2 拍頻量測
我們將光偵測器的輸出接至頻譜分析儀（Electronic
Spectrum Analysiser）上去觀察光偵測器訊號的頻譜。當我們調整 好光路使半導體雷射與飛秒鎖模雷射的光重合後，即可在頻譜分析儀 上看到拍頻訊號，其結果如圖（4-7）所示。因為鎖模雷射的諧頻相 差 1GHz，所以頻譜上會有 1GHz 的訊號代表鎖模雷射的諧頻彼此之間 的拍頻。在 0 到 1GHz 之間有兩個頻率的訊號，分別在 0 到 500MHz 之 間以及 500MHz 到 1GHz 之間各有一個，一是半導體雷射與相距最近諧 頻的拍頻，在圖中約是在 180MHz；二是半導體雷射與相距第二近諧 頻的拍頻，在圖中約是在 820MHz。
圖 4-8 所示為雙波長雷射與飛秒鎖模雷射的拍頻訊號。兩個 波長的雷射光個別與鎖模雷射作用產生拍頻訊號，各自在 1GHz 的範 圍內生成兩個拍頻訊號，所以圖中在 1GHz 的範圍內有四個拍頻訊 號，各自的意義由圖所示分別是外腔雷射一號與最近的鎖模雷射諧頻 的拍頻、外腔雷射二號與最近的鎖模雷射諧頻的拍頻、外腔雷射一號 與第二接近的鎖模雷射諧頻的拍頻、外腔雷射二號與第二接近的鎖模 雷射諧頻的拍頻。
0.00E+000 2.00E+008 4.00E+008 6.00E+008 8.00E+008 1.00E+009
Beat node (Hz)
圖（4-8）雙波長雷射與飛秒鎖模雷射的拍頻訊號
Beat node between Frequency comb.
Beat node with the closest comb.
Beat node with the second closest comb.
λ beats with the 1
closest frequency
λ beats with the 2
closest frequency
λ beats with 2
the second closest frequency
λ beats with 2
the second closest frequency
4-3 外腔式半導體雷射與飛秒鎖模雷射的互鎖
當我們擷取到拍頻訊號後，使用鎖相迴路將半導體雷射與飛 秒鎖模雷射互鎖，將拍頻頻率鎖定在840MHz之後我們可以在頻譜分析 儀（ESA）上看到拍頻訊號的位置幾乎固定不動，只有相當小而肉眼 幾乎看不出的變動。圖4-9所示為互鎖時的ESA上的訊號圖，此為連續 擷取7張圖後重疊在一起，不同顏色代表不同時間點所擷取的圖，每 張圖的間格約為5秒，可以看出圖形中的拍頻訊號幾乎沒有擾動，其 擾動量約在0到5MHz。
6.00E+008 7.00E+008 8.00E+008 9.00E+008 1.00E+009 1.10E+009 -85
-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50
-45 Phase locked beating signal
dBm
Beat node (Hz)
圖（4-9）互鎖時拍頻訊號疊加圖
我們接下來觀察在頻率擾動量方面的結果，圖 4-10 所示的是我 們量測未鎖頻時的頻率擾動量，在未做回授控制時的頻率擾動
(frequency fluctuation)大約為 100MHz，而且頻率的漂移量
(frequency shift)大約是幾百個 MHz。圖 4-11 所示的是鎖頻之後的 頻率擾動量，其頻率擾動量約在 1-5MHz 左右。
我們的穩頻實驗中所使用的方法是將半導體雷射和鎖模脈衝雷 射做拍頻，之後再將拍頻訊號做回授控制。脈衝雷射是用來作為半導 體雷射的標準頻率。由以上結果可以明白我們利用半導體雷射與鎖模 雷射諧頻的拍頻以及鎖相迴路可以將半導體雷射的光頻鎖在相對於 鎖模雷射諧頻的頻率位置上。經由波長儀上的頻率計量顯示我們將半 導體雷射的頻率鎖定在 358660.800GHz。
0 50 100 150 200 250 -150
-100 -50 0 50 100 150
Frequency Drift(MHz)
Time(s) unlock
圖（4-10）未互鎖時頻率擾動量
10 20 30 40 50 60
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Frequency fluctuation(MHz)
time(s)
Locked beat node fluctuation
圖（4-11）互鎖時頻率擾動量
我們將相位檢測器兩個輸入端（振盪源與參考源）訊號接至 示波器上觀察，圖4-12顯示的是當相位互鎖時兩輸入端的訊號，黑色 是代表拍頻訊號、紅色代表的是參考訊號，由圖可知在相位互鎖時，
兩訊號頻率相同相位則鎖定在180度，符合之前電路介紹時相位檢測 器的特性。
Phase lock signal Beat node Reference
圖（4-12）互鎖時震盪源與參考源波形圖
當我們達成互鎖之後，拍頻訊號的頻譜線寬也會降低。由圖 4-13可以看到當我們把頻率鎖在800MHz時，其頻譜線寬與未鎖頻時
（圖4-14）相比，其線寬較為降低。
0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 -85
-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45
dBm
Frequency(GHz)
Beat signal when phase lock
圖（4-13）互鎖時頻譜圖
0.70 0 . 7 5 0.80 0 . 8 5 0.90
- 8 5 - 8 0 - 7 5 - 7 0 - 6 5 - 6 0 - 5 5 - 5 0
dBm
F r e q u e n c y ( G H z ) Unlock beat signal