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圖 2222----111111 11 使用使用使用使用 MartinMartinMartinMartin----PuplettPuplettPuplettPuplett 偏振式干涉儀和輻射熱偵測器量測產偏振式干涉儀和輻射熱偵測器量測產偏振式干涉儀和輻射熱偵測器量測產偏振式干涉儀和輻射熱偵測器量測產 生的連續波
生的連續波 生的連續波
生的連續波 THzTHzTHzTHz 輻射波的同調性輻射波的同調性輻射波的同調性輻射波的同調性。。。。
0.0 0.5 1.0 1.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Frequency (THz)
Amplitude (a.u.)
第三章 第三章 第三章
第三章 系統原理與概要 系統原理與概要 系統原理與概要 系統原理與概要
本章會介紹連續波波長可調外腔式半導體雷射的基本原理以及 迴授電路-鎖相迴路(Phase Locked Loop; PLL)的基本原理
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3- -- -1 11 1 連續波波長外腔式可調半導體雷射系統 連續波波長外腔式可調半導體雷射系統 連續波波長外腔式可調半導體雷射系統 連續波波長外腔式可調半導體雷射系統 3
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3- -- -1.1 1.1 1.1 1.1 連續波波長可調半導體雷射 連續波波長可調半導體雷射 連續波波長可調半導體雷射 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
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【22】、雙折射濾波片
（birefringent filter）【23】、或是光柵（grating）【24-27】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【24-25】
（如圖 3-1）與 grazing incident【26-27】（如圖 3-2）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）【28】或雙光柵外腔【29】。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 圖 圖
圖 3 33 3- -- -1 1 1 Littrow grating 1 Littrow grating Littrow grating 結構 Littrow grating 結構 結構 結構
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圖 3 33 3- -- -2 22 2 gra gra grat gra tt ting incident ing incident ing incident 結構 ing incident 結構 結構 結構
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架設外腔後，系統非飽和淨功率增益（unsaturated net mode power gain）可描述為【30】：
r1，r2為半導體雷射兩端面之反射係數，
外腔式半導體雷射的邊界條件（threshold condition）：
p n
由此將（式 3-3）改寫為：
實驗量測顯示，當雷射溫度為 19℃，工作電流在 100mA 時，外 腔 式 波 長 可 調 雷 射 的 波 長 可 調 範 圍 為 ∆