第三章 實驗設計
3.1.1 L-I-V 量測系統
從 L-I-V 量測可得到雷射的基本參數，像是臨界電流( threshold current )、斜率效 率( slope efficiency )、導通電阻( Rs )及導通電壓( turn-on voltage )。藉由量測不同的雷 射共振腔長度與寬度，可分析萃取出雷射的內部損耗( )、內部量子效率( )、雷射 增益( )及飽和增益( )等。
圖 3-1為 L-I-V 量測系統示意圖。在我們架設的系統中，雷射晶片被放置於銅座
上，銅座內裝有熱敏電阻( thermistor )與熱電致冷器( TE-cooler )，兩者連接至電子溫 控器以達到溫度的控制。使用 Keithley2520 作為電流源供應器，透過探針將電流注入 雷射晶片中，而雷射的出光則打入 Ge 偵測器收光後，將光訊號轉為電訊號回傳到儀 器中，再透過 GPIB 線傳到電腦中，透過電腦得到雷射的 L-I-V 圖。
3.1.2 雷射光譜( Optical Spectrum )量測系統
頻譜量測系統所使用的銅探針座與溫控系統同 L-I-V 系統，雷射的收光部分是透 過準直鏡( collimator lens )將光聚成理想的平行光，再透過另一非球面準直透鏡將光 收集至多模態光纖( multi-mode fiber )，再傳到 ANDO AQ-6315E 光譜分析儀( Optical Spectrum Analyzer, OSA )，而光譜分析儀的解析度最小為 0.05 nm，可根據所需的解 析度作調整。
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Pulsed Laser Diode
Test System Probe Station Laser Device Station
Pulsed Laser Diode
Test System Probe Station
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3.2 外腔式雷射架構設計
實現波長可調式雷射有許多方法，像是 tunable monolithic semiconductor laser，將 DFB 或 DBR 與雷射製程整合在一起，利用控制溫度或注入電流可達到波長的調變
[17-18]；或是垂直共振腔面射型雷射( VCSEL )搭配外部反射鏡利用微機電系統
( Micro Electro Mechanical Systems, MEMS )技術來移動鏡面而改變共振腔長度，進而 調控輸出雷射的波長[19]。此類方法雖可將各項要素緊密地整合為一個小型元件，但 考慮其製程的繁複以及達到寬廣波段調制的可能性，因此我們選擇另一種方式來實現 波 長 可 調 式 雷 射 － 光 柵 耦 合 外 腔 式 雷 射 ( grating-coupled external cavity laser diode )[20-21]，此類架構較為簡單並且只需由幾樣簡單的光學元件或技術便可達成。
本節先分別介紹這幾項基本要素以及兩種最為熟知的光柵耦合外腔式雷射的基 本架構，接著提出所設計的輸出光方向固定的波長可調外腔式雷射架構，最後簡單描 述實驗方法。
3.2.1 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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3.2.2 波長可調外腔式雷射架構設計
首先在雷射晶片的一端鏡面作抗反射鍍膜，以提高外腔式雷射的可調波段範圍；
並在另一端作高反射的 DBR 鍍膜，可減少雷射光的損耗以降低外腔式雷射的耦合臨 界電流。將雷射晶片放置於溫控銅座上，使用 Keithley2520 作為電流源供應器，透過 探針將電流注入雷射晶片中。並利用三軸平儀台調整 為 0.68 的非球面透鏡 ( THORLABS C330TME-C )將雷射光聚成理想的平行光束，再將光打入條紋密度為 1200 條/ mm 的繞射光柵，其反射率頻譜如圖 3-9。待調整好光柵與入射光的角度至 約 50 度左右後，讓光柵的一階反射光可反饋回原雷射即形成所謂的外腔式雷射，收 光部分由光柵的零階出光組成。如圖 3-10所示為單邊出光的 Littrow 外腔式雷射架構 的示意圖，由平面反射鏡反射的零階光再由另一透鏡聚光至多模態光纖( multimode fiber )，再接入 ANDO AQ-6315E 光譜分析儀( Optical Spectrum Analyzer, OSA )中以得 到外腔式雷射的單模態發光頻譜圖，或是將外腔式雷射的單模態光打入 Ge 偵測器收 光後，可得到特定波長的單模態光的 L-I-V 圖。
本論文前後使用兩種外腔式雷射架構，分別為固定出光方向的 Littrow 單邊出光 系統與 Littrow 雙邊出光系統，如下所描述。
圖 3-9 表面鍍鋁、 = 36°52’、條紋密度為 1200 條/ mm 光柵的 一階繞射效率對波長的曲線圖
S
P
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圖 3-10 單邊出光外腔式雷射架構示意圖
架構一：Littrow 單邊出光系統
由於光柵零階的出光角度會隨著光柵角度的改變而有所偏移，因此我們初步設計 一個平行鋁塊以擺放光柵與反射鏡來固定出光方向[24]，如圖 3-11(1)的示意圖。圖中 的紅色部分(上方鋁塊)為兩平行鋁塊所組成，一側擺放繞射光柵、另一側則擺放平面 反射鏡，藉由轉動後方的螺絲起子可將鋁塊往前推進，確保繞射光柵與反射鏡以同樣 角度轉動，達到繞射光柵角度的控制與固定的出光方向。而綠色部分(下方鋁塊)為一 個中間被縱向切開的鋁塊，上方打牙鑽入螺絲起子，藉由螺絲的轉動將縫隙撐開以達 到光柵傾斜角度的調整，實體圖如圖 3-11(2)所示。圖 3-12的為 Littrow 單邊出光系統 的外腔式雷射架構系統圖，其外部腔長約為 30 公分左右。
圖 3-11 (1)平行鋁塊示意圖(2)平行鋁塊實體圖
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圖 3-12 架構一 Littrow 單邊出光系統外腔式雷射架構系統圖
架構二：Littrow 雙邊出光系統
鑑於單邊出光的 Littrow 外腔式雷射系統的出光僅能由光柵的零階出光組成，由 於光柵的零階光與一階反射光兩者間為一相互消長的關係，因此當所使用的光柵一皆 反射率較高時，相對的外腔式雷射的零階出光相對的變小很多，再加上零階出光無固 定的方向等原因，因此再設計另一套雙邊出光的外腔式雷射系統以便使用。為了達到 更加精準的量測結果，我們在此套系統的固定光柵的基座部分上作改良，選擇採用 NEWPORT 的 Grating Mount ( DGM-1 )以確保最好的一階反饋光回到原雷射中。此系 統同樣採用探針將電流注入雷射，並且為防止雷射光被長度過長的銅座底部擋住影響 出光效率，而使用厚度 2 mm 的溫控銅座，如圖 3-13所示。圖 3-14為 Littrow 雙邊出 光的外腔式雷射架構系統圖，圖中外部腔長約為 35 公分左右。
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圖 3-13 厚 2 mm 的溫控銅座圖
圖 3-14 架構二 Littrow 雙邊出光外腔式雷射架構系統圖
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3.2.3 量測方法
首先將雷射置於溫控銅座上，保持溫度在 20℃並注入大於原雷射的臨界電流使 雷射發光，接著利用三軸制動平台調整非球面透鏡與雷射的相對位置，在遠處確認光 束為平行射出並且光點的大小和形狀並未因為距離的遠近而有所改變時，即為理想的 平行光束。由於實驗所使用的雷射光波段為不可見光，因此藉由 infrared viewer ( FIND-R-SCOPE INFRARED VIEWER )的輔助，可調整 iris 的位置使平行光束透過 iris 中央再打入繞射光柵，並轉動光柵的角度使雷射的光束可依原路徑反射回 iris 的 中央處。由於雷射後端的高反射 DBR 鍍膜與繞射光柵的高反射率，使得外腔式雷射 的耦合臨界電流低於原雷射的臨界電流，因此我們將注入電流降低於原雷射的臨界電 流，將出光打入功率計( PowerMeter )中，並細微調整平行鋁塊的垂直角度至出光功率
首先將雷射置於溫控銅座上，保持溫度在 20℃並注入大於原雷射的臨界電流使 雷射發光，接著利用三軸制動平台調整非球面透鏡與雷射的相對位置，在遠處確認光 束為平行射出並且光點的大小和形狀並未因為距離的遠近而有所改變時，即為理想的 平行光束。由於實驗所使用的雷射光波段為不可見光，因此藉由 infrared viewer ( FIND-R-SCOPE INFRARED VIEWER )的輔助，可調整 iris 的位置使平行光束透過 iris 中央再打入繞射光柵，並轉動光柵的角度使雷射的光束可依原路徑反射回 iris 的 中央處。由於雷射後端的高反射 DBR 鍍膜與繞射光柵的高反射率，使得外腔式雷射 的耦合臨界電流低於原雷射的臨界電流，因此我們將注入電流降低於原雷射的臨界電 流，將出光打入功率計( PowerMeter )中，並細微調整平行鋁塊的垂直角度至出光功率