c. 做 Grating 量測 d.放上聚光用透鏡 e.放上 slit
f.調整聚光用透鏡及 slit 的位置 g. 做 Slit 量測
h. 放上雙面拋光矽晶片做為分光鏡使用 4-2-2 各架設光源架設步驟說明
(一). Grating 對光:
以 650nm 光源做為對光用光源，以 CO2放電管為 CO2 Laser 光源主體，將 650nm 光源入射至 CO2放電管，並確認 650nm 光源入射至 CO2放電管及離開 CO2放電管皆位於同一光軸 上，於後側加上 Grating 做為 CO2 Laser 的其中一面反 射鏡，而對光的目地主要確保放電管及反射鏡都可以使 光落在共振腔光軸內。
(二). output coupler 對光:
當 Grating 對光完成後，再將另一面 output coupler 放上，並以 650nm 對光光源對準，確認光軸位於 output coupler 的中心。
(三).做 Grating 量測:
在這裡 Grating 的工作原理，透過旋轉平台為載具，改變旋 轉平台旋轉角度來改變反射回雷射共振腔的波長，其理論如下:
sin sin
d× α− ×d β =mλ
α:入射角 β:繞射角
圖 40 Grating 入射光示意圖
在只考慮β的正負時，當繞射光與入射光在光柵法線之同 側時，就為正號。在考慮階數的正負時，當繞射光與入射光在光 柵法線之同側時，就為正階數，反之，為負階。
α
α
d
β
β
圖 41 BLAZED GRATING
對於滿足小平面反射之繞射光，可得下列之關係式：
α-ψ=β+ψ 因此繞射公式可寫成如下：
( )
sin sin 2
d× α − ×d α− φ =mλ
所以對於繞射效率最強的階數會和波長成反比 m 1
∝λ
先計算出四個主要波長的位置，校正 Grating 與旋轉平台的 角度差異，如圖 43，將差異值加上計算結果預估出四個波長的 實際上的旋轉角度並量測對應的輸出功率量測結果如下，並由量 測結果可知那些波長是我們可以運用，如圖 42。
Incident beam
Facet normal
Grating normal
Diffracted beam
w φ
α
β
φ
圖 42 Grating 波長對應輸出功率 二氧化碳雷射四群主要波長的 Grating 位置計算:
d(sinθi-sinθ0)=mλ
第一階: m=1，在此 sinθi=sinθ0時,光才會滿足雷射的共振條件 2sinθi=λ/d
而 d 為兩刻痕間的距離，旋轉平台規格:1°=400step d(μm)=1mm/135=7.4074μm
△λ=0.45nm/step
a:λ=10.6μm
sinθi=10.6/2*7.4074=0.7155
CO2 Laser output power
0 0.5 1 1.5 2
9.20 9.40 9.60 9.80 10.00 10.20 10.40 10.60 10.80 Wavelength(microns)
Output power(W)
θi=45.684°
旋轉平台位置=18274 step
b:λ=10.26μm
sinθi=10.26/2*7.4074=0.6923 θi=43.832°
旋轉平台位置=17533 step
c:λ=9.569μm
sinθi=9.569/2*7.4074=0.6459 θi=40.233°
旋轉平台位置=16094 step d:λ=9.294μm
sinθi=9.294/2*7.4074=0.6273 θi=38.855°
旋轉平台位置=15542 step
表 3 二氧化碳雷射四群波長的 Grating 位置計算
λ(μm) sinθi θi
旋轉平台位址 (step)
10.6 0.7155 45.684° 18274
10.26 0.6923 43.832° 17533
9.569 0.6459 40.233° 16094
9.294 0.6273 38.855° 15542
135 line/mm:△λ=0.45nm/step
圖 43 Grating 與旋轉平台
(四).放上聚光用透鏡:
放上聚光用透鏡的用途，是要將出雷射後的光束直徑盡量 縮小，使得光源的能量，盡量入射至光子晶體。
(五).放上 slit，並對光確保每個元件都在光軸上，在這裡 slit 做為固定光子晶體的夾具使用，並檔掉多餘不需要的光。
(六).調整聚光用透鏡及 slit 的位置:
使光通過聚光用透鏡後能聚焦在 slite 的位置，而得到 最小的光束大小。
(七) 做 Slit 量測:
我們必須要先確認 slit 上的刻度對應到實際開口的大 小，所以我們要先透過 slit 的量測來看實際開口的大小 D=λL/x
D:slit 開口大小 λ:入射光波長 x: 第一暗點位置 L:slit 至屏幕長度
表 4 slit 量測大小
刻度 slit 格數 x(第一暗點)
D(slit width) 0 26 5.150E-02 1.175E-04 5 31 4.075E-02 1.485E-04 10 36 3.575E-02 1.692E-04 15 41 2.700E-02 2.241E-04 20 46 2.450E-02 2.469E-04 25 51 2.100E-02 2.881E-04 30 56 1.875E-02 3.227E-04 35 61 1.750E-02 3.457E-04 40 66 1.600E-02 3.781E-04 45 71 1.475E-02 4.102E-04 50 76 1.350E-02 4.481E-04
20 30 40 50 60 70 80
0.00010 0.00015 0.00020 0.00025 0.00030 0.00035 0.00040 0.00045
B
Linear Fit of Data1_B
s l i t e 開口大
小
( m )
游標尺格數
圖 44 游標尺個格數對應 slit 開口大小
(八).放上雙面拋光矽晶片做為分光鏡使用，將光分成兩 束，一束穿透光為入射待量測光子晶體用光源，另一束 為反射光做為 CO2 Laser 功率監測用光源。
雙面拋光矽晶規格:
厚度:200μm，穿透率:50%，反射率:31%，吸收率:19%
穿透矽晶片後(T⊥)2=0.378311、(T∥)2=0.5864 θi=36∘ θt=9.667∘
(九)完成後，如圖 45、46。
圖 45 實驗量測系統規劃 Grating:
135 line/mm:△λ=0.45nm/step
(F=127mm)
圖 46 可調式二氧化碳雷射光源製作與量測圖 4-3 量測二維光子晶體步驟:
1. 將光子晶體以對疊的方式夾於 slitg 上，如圖 47
圖 47 光子晶體對疊的方式
光子晶體(1)
光子晶體(2) 入射光 slit
slit
2. 調整 Grating 下方的旋轉平台將 Grating 旋轉至欲量測波 長的對應位置
3. 同時讀取穿透光子晶體光束的功率及監看用光束的功率 4. 更換不同排數週期的光子晶體量測
4-4 分析與討論
本論文原始設計為在波長 10.26μm 處存在有光子能隙，但由於製 程上的誤差，導致波長 10.6μm 處，存另外一個光子能隙，所以，
10.6μm 及 10.26μm 皆有能隙現象，由圖 48、49，可以很明顯看出 2 排及 3 排分別為最高及次高穿透功率，這與模擬出來的趨勢相當接 近，而在此我們只列出前 6 排來作討論，因為 6 排之後的結果與模擬 的相似，排數的變化對功率的影響無太大的差異，由圖 50 可以看出 模擬結果與實際量測單一波長的穿透功率比的差異，明顯可以看出 2 排為最高穿透功率的排數，而第 5 排以後排數的變化對功率的影響無 太大的差異。
在這次的光子晶體的量測上與設計的差異是我們在設計與模擬 時都是 TE 波為主，而實際上量測的入設射光原則是同時存在有 TE 及 TM 波，在設計上我們在算光子能隙時定意義 TE 波為垂直晶片的方 向，而 TM 波為平行晶片的方向，當實際光源通過分光用的矽晶片後
對定意義 TM 波存在有較多的功率，而比例已在前面雙面拋光矽晶片 規格處已提過，但這並不影響晶體週期變化的穿透功率的趨勢，只會 將實際量測的零點的位準往上提。圖 50 為模擬及實際量測出的結果 比較高點同時，存在於只有 2 排光子晶體的時候而 5 排之後功率漸漸 趨於穩定。
圖 51 為在 10.26μm 下個各排列週期的穿透率，仍然可以看到週 期數為 2 排時穿透率最高，而在 5 排後各週期的穿透率都非常接近，
各排穿透率是由穿透功率比上監測用光源功率，理論上應該會趨近一 直線，但由於量測穿透功率及監測用光源功率的功率計有靈敏度與精 確度的差異，在大功率上與小功上對穿透功率及監測用光源功率的比 率不同，如圖 52 為無任何晶體下的穿透功率及監測用光源功率的 比，而 Laser 在不同波長時輸出的功率也不同，所以數值需經過修 正，但排數週期變化的穿透率趨勢則是相同，圖 53 將光子晶體每排 視為一條來模擬遠場，在這種狀況下並不適用在這裡做比較。
光子晶體在電磁波經週期性介質散射後，強度會經破壞性干射而 呈指數衰減[5]，當光子晶體只有一排時在光的入射方向時，並無週 期性介質變化，所以在二維的狀況下只有一排光子晶體時，是無法形 成完整的光子能隙，因此，討論在二維的光子能隙必須從兩排討論 起，第二排穿透功率校較高，而後呈指數衰減，至 5 排以後光子晶體
的穿透能量就會低於 1 排時由散射所造成的穿透能量的衰減。
0 5 10 15 20 25 30
10.6 10.605 10.61 10.615 10.62 10.625 10.63 10.635
波長(um)
穿透功率(mW) 1排
2排 3排 4排 5排 6排
圖 48 10. 6μm 波長之前 6 排光子體的穿透功率
0 5 10 15 20 25 30
10.25 10.255 10.26 10.265 10.27 10.275
波長(um)
穿透功率(mW) 1排
2排 3排 4排 5排 6排
圖 49 10.26μm 波長之前 6 排光子體的穿透功率
排數與穿透率
0 5 10 15 20 25 30
0 2 4 6 8 10 12 14 16
排數
穿透率(%)
量測 模擬
圖 50 穿透率模擬與實驗量測結果
波長10.26um各排穿透率
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10.25 10.255 10.26 10.265 10.27 10.275
波長(um)
穿透率(%)
1排 2排 3排 4排 5排 6排 7排 8排 9排 10排 11排 12排 13排 14排 15排
圖 51 各排穿透率實際量測結果
無晶片時穿透率比
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
監測用光源功率(W)
穿透率比
圖 52 無晶片下監測及穿透率比
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6
排數
穿透率(%)
穿透功率
圖 53 模擬遠場下各排的穿透率