第三章 鎖模光纖雷射
3.1 行進波與飽和吸收體間交互作用
被動鎖模主要利用飽和吸收體的非線性特性，在環形光纖迴路中，行進波與 飽和吸收體間交互作用有兩種方式，分別為穿透式(transmission type)以及消散波式 (evanescent wave interaction)：
1. 穿透式：將飽和吸收體置於光路中如圖 3.1 所示。在光纖雷射系統中，考慮到 光波的傳遞以及飽和吸收體的吸收，必須將飽和吸收體製作成薄膜，薄膜厚度 大約在數微米至數十微米之間，放置於兩光纖接頭之間，使光波與石墨烯飽和 吸收體產生作用。
圖 3.1 穿透式飽和吸收體交互作用示意圖
2. 消散波式：當光線從光密介質進入到光疏介質並且入射角大於臨界角時，會產 生表面消散波(evanescent wave)，其強度會隨著入射距離增加而呈現指數衰減。
在光纖傳輸系統當中，光波藉由全反射進行傳播，在纖芯與纖殼的界面上會有 消散波的產生。因此，我們可以將飽和吸收體置入纖芯與纖殼中[32]，或是纖 殼研磨至非常接近纖芯，使消散波強度仍足以與飽和吸收體交互作用並且回饋 於共振腔產生脈衝式雷射輸出[33]。圖 3.2 為消散波式中光波與飽和吸收體交 互作用示意圖。
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圖 3.2 消散波式飽和吸收體交互作用示意圖。
由於穿透式之交互作用，光脈衝通過時能量將完全穿透石墨烯飽和吸收體，
而石墨烯飽和吸收體有其所能承受的脈衝能量，當脈衝能量過強時，會對石墨烯 飽和吸收體造成毀損；而在消散波式交互作用中，消散波與石墨烯飽和吸收體作 用的能量較低，故能夠進行高脈衝能量的操作，提升脈衝雷射輸出表現，因此本 篇研究選擇使用消散波式交互作用做為被動鎖模飽和吸收體與行進波之作用形 式。
3.1.1 側磨光纖之損耗模擬
在進行光纖研磨的過程中，初時可以經由觀察研磨的寬度來推斷研磨的深度，
但是在研磨至纖芯附近時，寬度的改變量會變得極微小，難以在顯微鏡中進行量 測，以至於容易研磨過度，所以改以研磨損耗作為參數，同時，我們也以軟體進 行研磨深度與置入損耗(insertion loss)之關係模擬。從圖 3.3 的模擬結果中，D為研 磨深度，我們得知在研磨深度為 50 µm 左右時光纖會開始產生損耗，並且在 58 µm 之後損耗會急遽變大。光纖開始產生損耗代表消散場的強度開始增加，也代表著 能夠與飽和吸收體產生交互作用的強度增加，對於鎖模的表現會有正面的影響，
但是過大的損耗會造成共振腔中的能量過低，雷射無法達到閥值。
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圖 3.3 研磨損耗對應研磨深度模擬結果
3.1.2 側磨光纖之製備
藉由簡單的光纖置放架構進行側磨光纖研磨，取代以往需要利用 V 型溝槽放置 光纖再進行研磨的作法，不僅在研磨的前置作業時間可以大幅減少，並且在載具 的製作成本部分也較以往降低許多。本研究所製作側磨光纖所用之光纖種類為康 寧公司(Corning)生產之單模光纖(SMF-28)，承載的底座是光面載玻片，研磨載具 的製作流程如下述：
1. 利用一片光面載玻片作為基板，其面積為 76 × 20 mm2、厚度為 1 mm。
2. 將面積為 20 × L mm2 的玻璃板置放於基板的正中央如圖 3.4 所示並以耐熱 膠帶固定，L為 10 mm，於先前的研究中可以得知 10 mm 研磨長度的側磨光 纖具有較佳的表現[28]。
3. 將單磨光纖置放於載具上，先將基板兩端的光纖固定，之後再利用光學膠 (353-ND)將整段光纖塗佈。
4. 把載具加熱至 120 ℃ ，加熱時間 10 分鐘，確保光纖牢靠地固定於載具上如 圖 3.5。
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圖 3.4 光纖研磨架構示意圖
圖 3.5 L=10mm 側磨光纖研磨載具
在完成載具的製作後，將載具倒置黏於研磨平台底部如圖 3.6 所示。並且由 於光纖在研磨時相當容易斷裂，因此在研磨時需要注意以下要點：
1. 研磨機轉盤的轉動切線方向必須與光纖的軸向平行。
2. 研磨速度不得過快或是過慢，過快會使得光纖受到拉扯，過慢則會無法達到研 磨效果，因此，光纖研磨盤的轉速設定在 350 rpm。
3. 於研磨時，利用去離子水(DIWater)來進行潤滑以減少顆粒的影響。
對於使用的研磨砂紙部分，我們使用 3M 公司生產的鑽石拋光膜(diamond film)進行研磨。選用的研磨顆粒大小分別為 9 µm, 6 µm, 1µm 及 0.1 µm。對於粗磨 的部分先以 9 µm 研磨至研磨損耗為 0.2 dB，接著以 6 µm 研磨至所需損耗值，最 後再以 1 µm 及 0.1 µm 進行拋光與修飾。最後完成研磨的側磨光纖經由光學顯微 鏡拍攝的俯視圖及端視圖如圖 3.7 所示。
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圖 3.6 側磨光纖載具倒置黏於研磨平台底部
圖 3.7 側磨光纖之(a)俯視圖與(b)端視圖