THz 科技的發展在這數年來有長足的進步，利用 THz 輻射波在 通訊、生醫、顯像方面的研究不斷地有突破。為了面對在未來 THz 領域對於 THz 頻率量測上的需求， THz 頻率量度的研究成為重要課 題。能訂出準確頻率的 THz，發展 THz 專用的相關量測儀器也就有 了更好的條件。若能將兩個半導體雷射頻率差固定在 1THz，並將其 產生差頻生成標準的 1THz 輻射波，則此 THz 輻射波也就是我們所期 望可作為標準的 THz 輻射波了。
在 1970 年代初期皮秒級超短脈衝雷射的研究成功後，脈衝雷射 就不斷的在創新，而鎖模雷射(Mode-locked laser) 【1】在產生超短脈衝 的應用上扮演著相當重要的角色。利用微結構光纖可將短脈衝的頻譜 大幅展開，將外腔式半導體雷射與脈衝的諧頻互鎖，利用被展開的頻 譜光梳頻【2】作為光頻率的標準準確得知外腔式半導體雷射光頻率是 本篇論文的重點。
本章會介紹本論文的研究目的跟構想、實驗使用的雷射系統簡介 以及論文的架構。
1-1 研究目的
現在的時間是用銫原子光的原子鐘為標準。現在測量一段不很長 的時間，最精確的鐘是氫射，它利用氫原子特有的振盪頻率。
基本上我們研究的動機主要是希望藉由固定的頻率來作為定義 THz 輻射波的標準。這就像利用銫原子光的原子鐘為準則來定義時間 一樣，我們希望藉由鈦藍寶石鎖模雷射的固定共振腔所產生的固定的 諧頻來當 THz 輻射波的標準。
1-2 研究構想
這一個連續波半導體雷射與飛秒雷射的互鎖實驗的研究構想是 利用鈦藍寶石鎖模雷射的光脈衝的諧頻作為固定的參考頻率，用這光 脈衝的固定諧波頻率來做連續波半導體雷射的參考頻率，進而使連續 波半導體雷射的輸出光與鈦藍寶石鎖模雷射的光脈衝同步，而且又可 以達到連續波半導體雷射穩頻的效果。
我們架設外腔式半導體雷射以使我們的雷射具有波長可調的特 性，並且可以降低雷射的線寬跟擾動，讓互鎖更容易達成。
若能將兩個半導體雷射同時鎖至鈦藍寶石鎖模雷射的不同諧波 頻率上，使兩半導體雷射的光頻差為 1THz，則此兩半導體雷射可用 來產生頻率 1THz 的輻射波，而由此生成的頻率 1THz 的輻射波就可以 作為一個量測的標準，這在 THz 研究跟應用領域上都有很大的用處。
我們知道一般若要兩個訊號同步，常常使用鎖相迴路(Phase Locked Loop; PLL) 【 3】的技術，藉由迴授控制使一震盪器產生和輸入
訊號同步的訊號。藉由壓電材料(PZT)對外腔式半導體雷射腔長做調 變，進而達到迴授控制半導體雷射光頻率使其鎖在鈦藍寶石鎖模雷射 的諧頻上。
應用鎖相迴路(PLL)的技術做連續波半導體雷射的穩頻與同步，
達到雷射互鎖的目的。
1-3 連續波波長可調半導體雷射
波長可調雷射在光纖通訊、雷射光譜學、精密量測等研究領域中 應用廣泛。這種雷射必須具備兩個基構成要件：一個是頻寬較大的增 益介質，另一個是具有可選擇且可調整輸出波長機構的共振腔。目前 使用廣泛的寬頻增益介質的雷射包括染料雷射、固態雷射如鈦藍寶石 雷射、自由電子雷射、以及半導體雷射。染料雷射與鈦藍寶石雷射皆 需要以另一個大功率泵雷射（例如氬離子雷射）來激發，而染料雷射 還有另一個缺點，需要經常更換染料；自由電子雷射的輸出波長理論 上可由紫外光調整到紅外光，是一個很理想的波長可調光源，但是本 型雷射通常附屬於龐大且昂貴的同步加速器，所以尚不適宜由一般實 驗室採用。半導體雷射因其體積小、壽命長、操作容易、可直接注入 雷流泵浦、調變頻率高等優點，故而使其極具商業價值。尤其在通訊 系統的應用上，其非常適合作為通訊光源。近年來藉由製程技術的改
善，及雷射結構的改良，現在半導體雷射已可產生瓦級以上的輸出功 率，這使得它的應用範圍更廣了。
波長可調之半導體雷射系統的波長選擇及調整方式有很多種，通 常比較常被採用的方式是在外共振腔中置入一個適當的自由頻譜範 圍（Free Spectrum Range，簡稱 FSR）的 etalon【4】、雙折射濾波片
（birefringent filter）【5】、或是光柵（ grating）【6-9】等等。由於光柵的解 析度高，且波長可調範圍較大，因此比較適合在一般研究實驗室使用。
目前常見的光柵外腔式半導體雷射系統架構主要有 Littrow【6-7】
（如圖 1-1）與 grazing incident【8-9（如圖 1-2）兩種，，一般而言 Littrow】 光柵結構繞射效率較高，但因其所使用的光柵條紋數較少，除非將光 束展開，其解析度相對較低。Grazing incident 光柵由於光斜向入射，
所以解析度較高。它是利用光柵繞射的原理將平行的不同波長入射光 展成不同角度的繞射光，再利用全反射鏡選擇波長回饋。
一般產生雙波長輸出的方式是以 single-strip 雷射利用耦合共 振腔（couple cavity）【10】或雙光柵外腔【11】。前者是在半導體雷射的 出射面外加一較短外部共振腔，因兩者互相耦合的共振腔之縱向模不 同，若將外腔做適當調整，等效上使模距加大，可產生兩個輸出波長。
後者則是利用分光鏡將光束分成兩道，再分別以光柵調整波長回饋，
形成雙外腔而產生雙波長的輸出。但上述兩者的缺點是兩波長穩定性
不好，且波長無法做較大範圍的調整。
我們實驗室以前改良了 grazing-incident 光柵外腔雷射無法同 時選擇兩不同角度波長回饋的缺點，以透鏡將一階繞射光聚焦於不同 點，因此我們可以同時選擇兩個波長回饋雷射二極體之中，以同時產 生雙波長的輸出。
但是這樣的架構有一個缺點，那就是使用外腔雙波長雷射的輸出 雙波長有爭奪增益的現象使得產生波長的穩定度欠佳，輸出強度也不 能保持穩定。
現在本實驗用的方法並不同於以前實驗室所用的外腔雷射架構 來產生雙波長雷射，而是改用兩個外腔半導體雷射來產生雙波長雷 射。將兩雷射的輸出光調整為同軸，光偏振方向也用偏振片來調整成 相同，這樣雙波長雷射在光導天線或是光導開關作用產生出兩雷射的 差頻訊號時會有最大的效能，也可以避免外腔雙波長雷射的缺點。
圖（1-1） Littrow grating 結構
圖（1-2） grating incident 結構
可調 THz 信號產生器
THz 強度調變的光訊號有許多的應用，例如寬頻光通訊、絕對 距離量測用的外差干涉儀【12】、雷射二極體內的四波混和【13】、孤立子
（solotio）光脈衝的產生【14】、以及產生毫米波（millimeter wave）或 THz 輻射【15】。利用將相同的兩道線性啾頻（ linear chirped）光脈衝混 和，將其一做時間延遲，Weling 等人【15】報導一高達約 1THz 之可調 的光正弦調變，但其工作週期（duty cycle）小於 0.3%，且此方法產 生的 THz 輻射的頻寬相當寬，高達約 36GHz。利用直接調變一個高 速的雷射二極體或使用一個外加的光波導調變器（waveguide
modulator）, 可分別產生 63GHz【16】及 40 GHz【17】的調變訊號。另一 種利用光電的技術產生高達 60GHz 的微波訊號的方式，是將兩束不 同波長的雷射光在 MSESFET 或 HEMT 元件上作外差混和【18】，這些 實驗需要精確的校準兩束穩頻雷射光的方向，且至少其中之一為波長 可調雷射。且必須以相位雜訊補償的方式，減低由 GHz 拍頻產生之 電訊號的線寬（ linewidth）【19】。選擇鎖模半導體雷射輸出光譜中相鄰 的兩個模，且將其他模抑制，可產生 37.2GHz 的拍頻【20】，其調變深 度（modulation depth）高達 100%，但是其調變頻率很難調。Arahira 等人【21】證實利用被動鎖模雷射產生重複率高達 1.54THz 的光脈衝，
其時間平均光譜包含三個相鄰 12.5（~1.5THz）的縱向模，因此其脈
衝輪廓（pulse envelop）（半寬 FWHM≅260fs）非常接近正弦函數，也 就是拍頻訊號。
1- 4 論文架構
本論文的主要目的在探討如何將兩種雷射利用鎖相迴路(PLL)的 技術進行相位的互鎖，進而達到雷射相位同步與穩頻。
在第二章我們會討論到連波半導體雷射的雜訊成因。在第三章最 主要的是系統原理與實驗的方法，我們將會簡介鎖相迴路的基本理 論，以及兩個雷射的互鎖的理論與實驗的系統架構。第四章的實驗結 果與討論，觀察互鎖後的連波半導體雷射的穩頻現象並且討論實驗的 結果。最後在第五章節則為總結與未來展望。