半導體環型雷射

直線型半導體雷射由於共振腔偏短，一般為多縱模態(longitudinal modes)，由 於通訊傳播應用與光學記錄解析度要求越來越高，所以對於單模態輸出雷射的需 求也會越來越高，一般在製作單模態的半導體雷射是利用鍍膜技術來生成兩面布 拉格反射鏡，但需要的鍍膜技術較為複雜且比較不容易與被動元件整合。環型共 振腔(ring resonator)結構[5][6][7]，環型波導共振腔具較長的光局限長度，可以得到 較好的邊模抑制效果，並利用 Y 型耦合結構將雷射輸出直接與直線波導元件整合，

目前有關環形雷射的研究結果並不多，因為環形共振腔的光可以與其他波導結構 元件整合，因此也造成比線性雷射更複雜的雷射光學特性，例如雷射縱模態的分 佈、四波混頻，本論文主要探討西格馬型環型共振腔半導體雷射輸出特性之研究。

(1) 半環型共振腔雷射

剛開始利用環形波導特性是 N. MATSUMOTO 與 K. KUMABE 於 1977 年發表 的論文[8]，其結構如圖 1.4[8]。並可由其結果發現(圖 1.5[8])這種的結構需要施加 元件很高的電流才會啟動，所以在與其他結合應用上面會比較不容易，而且其所 產生的光譜結果也不是很理想的單模態雷射。

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圖1.4 半環型雷射結構圖

圖1.5 半環形雷射光譜圖

(2) 環型非接觸型雷射

採用環型共振腔與非直接接觸的直線波導(圖 1.6) [9]，利用了兩種波導的間接 偶合的方式來達到單模態雷射的輸出效果，耦合環型雷射產生出來的 CW 與 CCW。

並經由環型雷射在不同偵測器(PD1、PD2)的 L-I 結果發現(圖 1.7)[9]，可以發現環 型雷射具有以下三種的特性：

I. 雙向(bidirectional)連續波的特性。

II. 交替震盪(alternate oscillations)的特性。

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III. 單向雙穩態 (directional bistability)的特性。

所以依其單向雙穩態的特性，即可產生光開關的效果。但由於此結構採用間 接耦合的方式，所以環型波導與直線波導間的距離如果相距太遠則耦合效果會很 差所以間距需要越小越好，這也造成製程上極大的挑戰與困難，同時這樣的間接 結構也不容易與其他的被動元件做整合。

圖1.6 環型雷射(Square Ring Lasers)

圖1.7 環型雷射在PD1、PD2下的L-I

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(3) 環型接觸型雷射

本研究團隊之前的研究[10]採用圓形共振腔(圖1.8)結構製作雷射，以單一Y型 耦合器耦合輸出，在搭配以準分子低溫蝕刻技術製作圓形共振腔波導結構[11]，不 需要鏡面，因此較容易製作且較易與其它元件整合成單晶片光積體電路。另外環 形共振腔半導體雷射之邊模抑制( side mode rejection )能力很好，很適合操作在單 一模態中，所以可以成為窄頻寬應用之光源[1]。

圖1.8 單輸出共振腔環型雷射

由量測環型雷射元件及Y型耦合輸出端之L-I及光譜，發現在Y型耦合波導端輸 出的雷射光譜屬於單膜態，(圖1.9[1])。

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656 658 660 662

ring laser

圖1.9 環型雷射輸出光譜圖

-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 -4.0x10^-4

圖1.11 雙輸出共振腔環型雷射

經由圖 1.12[1]可以發現破壞環型之後的光譜顯示，在峰值 651.58nm 的環型單 模態明顯變弱，同時圖 1.13[1]可以則顯示兩輸出端的 L-I 特徵是相同的。

648 650 652 654 656

0

before destroy after destroy

圖1.12 破壞環型共振腔電極後光譜比較圖

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0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7