B-1 原理
光調變器在光通訊領域中，為一主要的元件，更關係到整個系統所表現的特性
。目前高性能光調變的特性上，需具備有高速、低驅動電壓、低啾譜特性[B5-B6]與積 體化 ..等能力。而電制吸收光調變器則滿足了上述的條件。我們利用量子侷限史塔克 的效應，並將磊晶結構設計成 p-i-n 結構，其中主動區的部分由 12∼15 個量子井組成
。當透過適當的偏壓，使得二維的量子井產生對 1.5µm 附近的波長產生不同程度的吸 收，進而達到調變的目的。
B-1-1 量子侷限史塔克效應(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)
在二維的量子井中，當未受到外加電場作用時，導電帶、價電帶與電子電洞波 函數分佈如圖 B-1-1 (a) 所示；其能帶呈現水平，且波函數的重疊機率最高；然而當受 到外加電場作用時，能帶產生傾斜並且電子電洞波函數分佈呈現分離錯位，使得其重 疊積分變小，如圖 B-1-1 (b) 所示。除了波函數產生錯位外，也因為能帶的傾斜使得次 能帶躍遷變短，產生紅位移(Red Shift)現象，如圖 B-1-2 所示。其能量的變化量關係為 (B-1-1)式 [B8]；其中，
m
*為有效質量，F 為電場，L 表量子井寬度。(B-1-1)
* 2 4
1 2
m e F L
∆ E ∞
h
要增加紅位移的效應時，由上式中可知，除了增加電場外，也可以改變所設計 的量子井寬度，並且會有較快的紅移效果。
圖B-1-1 (a) 無外加電場的能帶圖形與波函數分佈 (b) 外加電場的能帶圖形與波函數分佈
圖B-1-2 光電流光譜圖
B-1-2 極化不敏感
在許多的多重式量子井結構中，極化方向不敏感[9]的能力是很重要的。尤其是當
B-2 結構設計與模擬
由於在設計高性能的電制吸收光調變器磊晶結構時，必須考慮到 1.低驅動電壓
（Low driving voltage）、2.高飽和功率[10-11]（High saturation power）、3.應變平衡（
Strain balance）及 4.極化不敏感（Polarization insensitive）等多項因素；因此結構也變 的更複雜。我們利用表 A-1-1 所列的 8 種化合物組成參數－材料組成，再配合適當厚 度帶入程式中模擬，並調整厚度或更換化合物材料，以便得到我們所需要的工作波長 以及估算加偏壓後的紅移量與重疊積分平方。
B-2-1 TE 極化多重量子井
B-2-1-1 TE 極化簡單量子井結構設計範例
我們用1eV的InGa(2)Al(2)As作為位能障（barrier）、厚度約 47Å 的InGa(1)As當作 位能井（well），經過我們的模擬後得到約1.503µm波長的量子井，如圖B-2-1所示。
其中-40kV/cm的電場大約為 p-i-n 結構的內建電場，可是當電場增加到-120kV/cm時，
其躍遷波長紅移到1.514µm，然而這樣的紅移量並無法滿足我們的要求，因此我們需再 設計有較大紅移的量子井。
B-2-1-2 TE 極化對稱式量子井結構（EAMSYM15QWc）
由於設計電制吸收光調變器量子井時，需有較大的紅移，方可降低驅動電壓。
由B-1-1式中可知，要增加紅移除了增加偏壓外，也可以改變增加量子井的寬度。由於 增加量子井的寬度，相對會減少躍遷能量；因此我們在量子井中插入兩個 8Å 的 Internal barriers 使得躍遷能量可以保持在 1.5 µm 附近。圖 B-2-2（a）與（b）為我們所 設計出的對稱式量子井結構。當電場的變化由 -40kV/cm 到 -120kV/cm時，躍遷能量約 略可由 1.498µm 變化到 1.533µm。為了增加結構的吸收能力，我們將主動區設計成大 約有3000 Å厚度、15個量子井。磊晶層明細如表3-1所示。
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.2
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
H a rriso n 's Po te n ti a l (e V )
Width (Å)
- 40 kV/cm
e1-hh1 1.5028 um
0.8396 eV ~ 47 Å InGa(1)As InGa(2)Al(2)As
圖B-2-1 TE 極化簡單量子井結構
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 0.2
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
H a rr is on' s Po tent ia l ( e V)
W idth (Å) e1-hh1
1.495 µ m 0.8273 eV
- 40 kV/cm
(a)
-2 0 0 -1 5 0 -1 0 0 -5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 0 .2
0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2
W id th (Å )
Harrison's Potential (eV)
e 1 -h h 1 1 .5 2 6
µm 0 .8 0 8 4 e V
-120 kV /cm (b)
圖B-2-2 對稱式量子井，電場為（a）-40 kV/cm (b)-120 kV/cm 時的模擬
表B-2-2 EAMSYM15QWc 結構明細表
No. Composition thickness (Å) doping temp. change, etc
0 InP substrate S substrate
1 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 200.0 Si: 2E18 T(2sec)+10
2 In0.699Al0.301(2)As 26.0 Si
3 In0.421Ga0.195(2)Al0.384(1)As 43.0 Si
Balanced strain grading steps for conduction band
4 In0.523Al0.477(1)As 900.0 Si Lower cladding
5 In0.421Ga0.195(2)Al0.384(1)As 43.0 Si
6 In0.699Al0.301(2)As 26.0 Si
Balanced strain grading steps for conduction band
7 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 100.0 Si
8 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300.0 Lower set-back layer
9 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 43 barrier
10 In0.532Ga0.468(1)As 17 Sub-well l 11 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 8 Internal barrier 1
14 In0.532Ga0.468(1)As 17 Sub-well 3 15 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 43 barrier
16 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300 i-region SCH 17 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300 Be:1E18 p-region SCH/etch-stop 18 In0.523Al0.477(1)As 1,000.00 Be:1E18 p-upper cladding layer 1 19 In0.523Al0.477(1)As 1,000.00 Be:2E18 p-upper cladding layer 2 20 In0.523Al0.477(1)As 15,000.00 Be:3E18 p-upper cladding layer 3 21 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300 Be:5E18 p-contact grading step
22 In0.532Ga0.468(1)As 600 Be:8E18 p-contact layer
B-2-1-3 TE 極化非對稱式量子井結構
對稱式量子井結構其紅移的量，已經比簡單量子井結構還好，但是依舊還是不夠
。若我們繼續增加量子井的寬度，則量子效應便逐漸消失，且主動區的量子井數目也 必須相對減少。因此我們必須採用另一種設計方法。
當我們用一個寬度 8.8 nm 的 well，其能隙為連續變化的 In1-xGaxAs，Barrier 為 InAl(1)As。其躍遷能量對電場的變化圖，如圖 B-2-3 所示。可由此模擬圖中清楚的觀 察到，由於結構的非對稱也使得躍遷能量也呈現非對稱的變化。並且因為量子井為非 對稱的緣故，使得負電場區紅移速度增加許多。
但由於本磊晶系統暫無法成長能隙連續變化的量子井，因此用三個不同能隙的 sub-well 來取代 In1-xGaxAs[B12]（EAM15QWc），如圖 B-2-4。當電場由-40kV/cm 到-120kV/cm 時，躍遷波長可由 1.504 µm 紅移到 1.554 µm。在高電場的操作之下，為了 避免電子的次能帶超過 Barrier，我們採用具有較高能隙的壓縮應變材料－InAl(2)As 當 作Barrier。表 B-2-2 為非對稱量子井結構（EAM15QWc）明細。
B-2-1-4 TE 極化量子井結構設計比較
下表為TE 極化量子井結構設計比較表：
工作波長（µm）
量子井的種類 電場為-40kV/cm 時 電場為-120kV/cm 時
紅移量 (nm)
簡單量子井 1.5028 1.514 11.2
e1-hh1 Transition Energy (eV)
Electric Field (kv/cm)
I n A l ( 1 ) A s B a r r i e r
Har ris on' s P o te nt ial ( e V )
Width (Å)
- 40 kV/cm
e1-hh1
1.5041
µm
0.8242 eV
表B-2-2 EAM15QWc 結構明細表
No. Composition thickness (Å) doping temp. change, etc
0 InP substrate S substrate
1 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 200.0 Si: 2E18 T(2sec)+10
2 In0.699Al0.301(2)As 26.0 Si
3 In0.421Ga0.195(2)Al0.384(1)As 43.0 Si
Balanced strain grading steps for conduction band
4 In0.523Al0.477(1)As 900.0 Si Lower cladding
5 In0.421Ga0.195(2)Al0.384(1)As 43.0 Si
6 In0.699Al0.301(2)As 26.0 Si
Balanced strain grading steps for conduction band 7 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 100.0 Si
8 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300.0 Lower set-back layer
9 In0.699Al0.301(2)As 40.0 Electron barrier
10 In0.36Ga0.484(1+2)Al0.156(2)As 40.1 Strain balancing 11 In0.532Ga0.468(1)As 14.0 Sub-well 1
× 12 In15 0.36Ga0.484(1+2)Al0.156(2)As 11.7 Internal barrier 1 13 In0.532Ga0.468(1)As 28.0 Sub-well 2 14 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 8.0 Internal barrier 2 15 In0.683Ga0.317(2)As 13.2 Sub-well 3 16 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 16.0 Spacer
17 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300.0 i-region SCH 18 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300.0 Be:1E18 p-region SCH/etch-stop 19 In0.523Al0.477(1)As 1,000.0 Be:1E18 p-upper cladding layer 1 20 In0.523Al0.477(1)As 1,000.0 Be:2E18 p-upper cladding layer 2 21 In0.523Al0.477(1)As 15,000.0 Be:3E18 p-upper cladding layer 3 22 In0.528Ga0.245(2)Al0.228(2)As 300.0 Be:5E18 p-contact grading step 23 In0.532Ga0.468(1)As 600.0 Be:8E18 p-contact layer
B-2-2 極化不敏感多重量子井
B-2-2-1 簡單極化不敏感量子井結構設計範例
由於重電洞與輕電洞質量的不同，使 e1-hh1 與 e1-lh1 的躍遷能量不同。若在 well 中使用伸張應變(tensile strain)，那麼 e1-lh1 的躍遷能量便會有機會與 e1-hh1 相同，進 而達到極化不敏感。
我們在 InGa(1+2)As 中插入一層薄的 InGa(1)As，並且調整量子井與 InGa(1)As 薄 層厚度，使得e1-hh1 與 e1-lh1 的躍遷能量相同，並且將波長維持在 1.5 µm 附近，結構 組成如表 B-2-3 所示；而其模擬示意圖如圖 B-2-5 所示。
表B-2-3 簡單極化不敏感量子井磊晶層組成表
材料組成 材料厚度 匹配程度
Barrier InAl(1)As 0 晶格匹配 Well layer 1 InGa(1+2)As 4.6 nm 伸張應變 Sub-well layer InGa(1)As 2.4 nm 晶格匹配 Well layer 2 InGa(1+2)As 4.6 nm 伸張應變 Barrier InAl(1)As 0 晶格匹配
-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400
H a rr is o n 's P o te n ti a l ( e V )
W idth (Å)
H a rr is o n 's P o te n ti a l ( e V )
W idth (Å)
圖 B-2-6 與圖 B-2-7 為第二種設計，將圖 B-2-5 中晶格匹配的 InGa(1)As 改用兩 個sub-well，量子井的部分一樣是用具伸張應變的 InGa(1+2)As 材料。Barrier 的部分為 了應變平衡，所以我們用具壓縮應變的InAl(2)As 材料。圖 B-2-8 與圖 B-2-9 分為轉移 能量對電場變化的作圖和重疊積分平方對電場變化的作圖。
-350-300-250-200-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.2
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
- 40 kV/cm
Harr is on's Potential (eV )
Width (Å) e1-hh1
1.5262 um 0.8123 eV
(a)
-350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
H a rr is o n 's P o te n tia l ( e V )
W idth ( Å ) e 1-lh1
1 .52 68 um 0 .81 20 eV
- 40 kV /cm
(b)
圖B-2-6 (a)電場為-40 kV/cm 時，量子井重電洞位能圖 (b)電場為-40 kV/cm 時，量子井輕電洞位能圖
-35 0 -30 0 -25 0 -20 0 -15 0 -10 0 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.2
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
- 70 kV /cm
H a rri s o n 's P o te n ti a l (e V )
W id th (Å) e1 -h h1
1.53 99 u m 0.80 51 e V
(a)
-350 -300-250-200-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450