量測系統架設

3.4.1 L-I-V 量測系統:

L I V量測是半導體雷射最基本的量測，從L I V量測可以馬上知道起始電流 (I )、斜率效益(_th _s)、導通電阻(R )及導通電壓(turn-on voltage, _s V )等一些基本的_o 雷射參數。從不同共振腔長度量測到的基本參數，可以分析萃取出雷射的內部損耗(_i)、

鏡面損耗(_m)、雷射增益(G)及飽和增益(G^sat)等等。圖 3-4-1 為雷射 L-I-V 量測系 統示意圖。

在我們架設的L I V量測系統中，雷射晶片置放於銅座上，銅座連接到TEcooler， 藉由_TE_cooler對雷射晶片控溫。使用Keithley 2520雷射量測系統做為電流供應器和光 偵測器，雷射晶片所發出的雷射光經由量測系統上面的 Ge 偵測器收光後將訊號傳回電 腦中，同時注入雷射的電訊號也會同時傳回電腦中，經由電腦較正計算後，就可以得到 雷射 L-I-V 圖。

Computer LDT-5910

Temperature Controller

TE-Cooler

KEITHLEY 2520 Pulsed Laser Diode

Test System

Probe Station

Laser Device Station

GPIB

Detector I

圖 3-4-1 L I V量測系統

34

3.4.2 雷射頻譜(spectrum)量測系統:

頻譜量測系統跟L I V量測系統一樣，先將雷射晶片置放於銅座上，使用電子溫 控 器 (TEcooler) 控 溫 ， K e i t h l e y 2 5 2 0為 雷 射電 流 供 應 器， 雷 射 光經 由 準 直 鏡 片 (collimator lens) 聚 焦 後 經 由 光 纖 傳 到 ANDO AQ6315E 光 譜 分 析 儀 (Optical Spectrum Analyzer)，光譜分析儀的解析度(resolution)可依照需求調整，解析度越高 的檔位其量出的頻譜會較為準確，但是也較為耗時，本篇論文量測的頻譜資料皆使用 0.1nm 的解析度。量測系統示意圖如圖 3-4-2

LDT-5910 Temperature

Controller

TE-Cooler KEITHLEY 2520

Pulsed Laser Diode Test System

Probe Station

Laser Device Station

GPIB

I

OSA

Computer Collimator lens

Fiber

圖 4-4-2 雷射頻譜量測系統示意圖 圖 3-4-2 Spectrum 量測系統

35

3.4.3 Relative Intensity Noise (RIN)量測系統:

將欲量測的雷射晶片放置於銅座上面，TEcooler控溫在 20℃，Keithley 2520供 應直流電流於雷射晶片上面，雷射光經由抗反射鍍膜(1.3 m )的準直鏡片收進光纖連接 至InGaAs p i n  的偵測器(Newport AD40xr)，偵測器在1310nm時的光電轉換增益 (conversion gain)為_{475 V/W}，轉換後的電訊號接至Agilent E 4407B Electrical Spectrum Analyzer(ESA)。量測時調為最小解析度 100kHz，讓量測的結果更為準確，收 進來的訊號平均 30 次，使量測的曲線平滑，量測示意圖如 4-4-3。

從 ESA 量測到的雜訊是雷射雜訊、熱雜訊(Thermal noise)和量子雜訊(Quantum or Shot noise)的總和，我們在此以N_T( )f 代表量測到的總雜訊，式(4.1)。

 

( ) ( ) ( ) W/Hz

T Laser Shot Thermal

N f N f N N f (3.1)

其中: N_Laser( )f 為雷射強度雜訊，會隨著頻率快慢而改變

N_Shot為偵測器造成的雜訊，只受偵測器收到的光強度影響 圖 3-4-3 RIN 測系統示意圖

36

N_Thermal( )f 為量測系統的雜訊，又稱為背景雜訊，會隨頻率而改變

所以要求出正確的雷射雜訊要把 Shot noise 和 thermal noise 扣除後才是真正的雷射 雜訊。以下分別說明各項雜訊由來及如何計算。

Thermal Noise:

Thermal noise 又稱為背景雜訊(background noise)主要是由訊號放大器和量測儀 器所造成的，量測儀器或放大器在熱平衡狀態時會有一些載子受熱而產生擾動(thermal agitation)，這些不規則的擾動就是 thermal noise 主要的來源。載子的擾動和量測儀 器或放大器的輸入功率(input power)沒有關係，所以 thermal noise 不受輸入功率影 響(power independent)，圖 3-4-4 為Agilent E 4407B Electrical spectrum analyze 的 Thermal noise。我們將 thermal noise 在室溫下以分貝(dB)表示，Electrical spectrum analyze 通在在室溫下都會有 30dB 或更高的 thermal noise 存在。在雷射晶 片尚未通電流時，我們可以先藉由量測背景訊號求得 Thermal noise。

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-100 -90 -80 -70 -60

Electrical power (dBm)

Frequency (GHz)

圖 3-4-4 Agilent E 4407B室溫下的 thermal noise

37

Shot Noise^[18]:

Shot noise 主 要 是 PN 或 PIN 偵 測 器 中 的 暗 電 流 (dark current) 和 光 電 流 (photocurrent)造成的，當偵測器操作在逆偏電壓(reverse biased)時，空乏區會因為 熱效應而產生電子電洞對形成暗電流，這些不連續產生的電子電洞對形成的電流稱為量 子雜訊(Quantum Noise)。偵測器在收光產生光電流的過程中會產生不連續的載子，這 些載子所形成的電流就是造成 shot noise 的主要因素。shot noise 和強度和偵測器所 輸入的功率有關，當偵測器所收到的光越強時，則 shot noise 的強度也會越強。偵測 器可以偵測的最小信號就是由這些 shot noise 所決定，偵測信號產生的光電流必頇大 於 shot noise 才可以被偵測到。

如圖 3-4-5 所示，當輸入平均功率為P 時，偵測器輸出端電流是由光電流、暗電流和雜₀ 訊電流所組成。利用 Gaussian 統計分佈和輸入的平均功率可以計算出雜訊電流大小，

式(3.2)，

2 _shot 2 _ph 2

i qI q P

      (3.2)

q為一個電子帶電量(1.6 10 ^19 Coulomb)， 為偵測器的響應度(responsivity)，我們 使用的偵測器 responsivity 為0.85 0.05 / A W， P 為偵測器收到的平均輸入功率。

我 們 使 用 的 偵 測 器 在 1 . 3 m 的 transfer function M f( ) 為 475 V/W。 Spectrum 圖 3-4-5 偵測器產生 Shot noise 示意圖

38

Laser Intensity Noise:

雷射的雜訊主要是由自發性放射(spontaneous emission)和一些不連續的載子復合 所產生擾動造成的，而這些不連續的擾動和雷射的結構有很大的關係，所以我們藉由量 測雷射雜訊可以判斷雷射的動態特性是否良好。在 Relative Intensity Noise 量測的 過程中，我們需要扣除 thermal noise 和 shot noise 的後的訊號才是雷射的雜訊訊號，

式(3.5)。雷射的 RIN 我們可以利用式(3.4)表示，

er input impedance(50 ) : detector responsivity ~0.85[A/W]

: resolation bandwidth [Hz]

f







39

第四章 實驗結果與討論

在本實驗中所用的量子點雷射，是使用分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 成長，主動層(active layer)包含 3、5、7 層量子點及 p-doping 的 5 層量子點，每層 量子點密度約3 10 ¹⁰cm²左右，上下由披覆層覆蓋以侷限光形成共振腔，使雷射光可以 在裡面共振放大。我們比較不同結構的量子點雷射特性，藉由一般的 L-I-V 和頻譜量測 萃取雷射參數做基本分析，接著探討鏡面鍍膜(HR coating)對雷射特性的影響，最後對 四種不同結構量測 HR coating 後的 RIN，藉由 RIN 來分析雷射動態特性和微分增益。

4.1 量子點雷射特性:

我們把四種不同量子點結構的雷射分別劈裂成 5 種不同長度(1000 m 、1500 m 、 2000 m 、 2500 m 和 3000 m )，對於相同的半導體雷射的磊晶結構，分別量測不同長 度雷射的L I V及頻譜(Spectrum)，我們可以從起始電流(I )及斜率效率(_th _s)，求得 微分量子效率(differential quantum efficiency, _d)，並取其倒數對不同的雷射共

振腔長度作圖，圖 4-1-1，此直線在 L=0 的截距即為 1/_i，而此直線的斜率即為

 

/ ln(1 / )

i i R

  ，其中R為劈裂鏡面的反射率。藉由這種參數分析，我們可以得到雷射

結構的αi以及ηi，進而判斷此半導體雷射磊晶結構頇改善的方向。以下對於 Lm4881(五 層 undoped)做分析計算，Lm4904(三層 undoped)、Lm4903(七層 undoped)和 Lm4917(五 層 p-doped)的資料於附錄 A 中。

40

Lm4881 五層 undoped 量子點雷射:

由圖 4-1-2 至圖 4-1-5，我們可以知道雷射的起始電流和斜率效率，圖 4-1-6 至圖 4-1-9 可以知道共振腔長度 1000μm 的雷射在第一激發態(1180nm)，在 1500μm 以上的 共振腔長度皆為基態(1280nm)，從這些資料我們可以計算出雷射的外部量子效率，外部 量子效率倒數對共振腔長度做圖，圖 4-1-10，從擬合的直線和外部量子效率倒數的截距，

我們可以求出內部效率_i為 0.83，擬合直線的斜率可以求出內部損耗_i為3.8 cm^1，接 著由

1 2

1 1

ln( )

i 2

G  L R R 可以得到共振腔長度為 1500m，2000m，2500m及 3000m 的增益分別為 10.3 cm^-1，8.4cm^-1，7.2cm^-1及 6.5 cm^-1。

接著利用模態增益對起始電流密度作圖，擬合不同共振腔長度的模態增益，可以得 到雷射的飽和增益和透明電流密度。圖 4-1-11 和 4-1-12，為共振腔寬度 10m和 20m 的飽和增益圖，五層量子點的飽和增益約為12.3 cm^1，每一層的飽和增益相當於 2.46 cm^1，小於 Yuian Cao, Tao Yang 等人在 2008 IEEE PHOTONIC LETTERS ^[22]所提出 的每層飽和增益為3.5cm^1。

圖 4-1-1 1/_d對共振腔長度L做圖

41 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW) 10us/1ms (duty cycle=1%)

L1000um 10us/1ms (duty cycle=1%)

L1000um 10us/1ms (duty cycle=1%)

L1000um L1500um L2000um L2500um L3000um

1150 1200 1250 1300

-60

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Current (mA)

1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 -60

Ith L1000um

L1500um L2000um L2500um L3000um

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 -55

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

圖 4-1-2 L-I-V 5μm 圖 4-1-3 L-I-V 10μm

圖 4-1-4 L-I-V 20μm 圖 4-1-5 L-I-V 50μm

圖 4-1-6 Spectrum 5μm 圖 4-1-7 Spectrum 10μm

圖 4-1-8 Spectrum 20μm 圖 4-1-9 Spectrum 50μm

42

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0.0

10us/1ms (duty cycle=1%)

05um 10um 20um 50um

1/QED

Cavity length (um)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Sat. gain 12.1cm^-1 Lm4881_QDLD_5-layers

W=10um modal gain gain curve fitting

modal gain (cm)

Threshold current density(A/cm²)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

modal gain gain curve fitting

modal gain (cm-1)

Threshold current density(A/cm²) Sat. gain 12.5cm^-1

接著對五層量子點的基態(GS)和激發態(ES)做 10℃至 70℃變溫量測， 圖 4-1-13

43 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V) 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW)

280 290 300 310 320 330 340 350

0

L = 2500um, Ground State 10us/1ms (duty cycle=1%)

To=59k L = 2500um, Ground State 10us/1ms (duty cycle=1%)

Peak Wavelength (nm)

Temperature (C) 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V) 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW)

280 290 300 310 320 330 340 350

0

L = 1000um, Excited State 10us/1ms (duty cycle=1%)

To=71k 10us/1ms (duty cycle=1%)

Peak Wavelength (nm)

Temperature (C)

44

我們將全部的雷射資料用表格整理，如表 4-1-1，當量子點層數增加時，因為能態 密度上升，基態載子可以發生復合的數量增加，所以基態飽和增益會隨著量子點成層 增加而上升。當基態的能態密度提升，可以填的載子較多，當溫度上升時，基態因為 thermally escape 而損失的載子對基態增益影響較小，所以不需要大量的增加電流來 補充損失的載子，因此增加量子點層數會使雷射對溫度的敏感度降低，特徵溫度上升。

如 2.7 節所述，p-doping 可以有效的降低 thermally escape，所以可以增加基態的飽 和增益和特徵溫度。

表 4-1-2 說明當量子點層數固定時，共振腔長度越長，其特徵溫度越大，對溫度 敏感性越低，其原因為當共振腔越長時，鏡面損耗越低，基態所需要的增益較小，所 以 thermally escape 損失的載子並不會對基態增益造成嚴重的影響，所以不需要增加 大量的電流來補充載子增加增益。在表 4-1-2 中也觀察到激發態的特徵溫度會比基態 高，原因為激發態的增益較基態大，當 thermally escape 發生時，激發態所損失的載 子並不會讓原本激發態的增益下降很多，所以不需要增加大量的電流來補充載子增加 增益，所以對溫度的敏感性較基態低，所以激發態的特徵溫度較基態高。

Sample 2500 m (To) Sat. Gain

Lm4904(3-layers) 53K 8.3 cm^-1 Lm4881(5-layers) 59K 12.5 cm^-1 Lm4917(p-doped 5-layers) 82K 13.6 cm^-1 Lm4903(7-layers) 64K 15.5 cm^-1

表 4-1-1 不同層數 G^sat & T0比較表

45

T⁰ 1000 m 1500 m 2000 m 2500 m 3000 m

Lm4881(5-layers) 71k(ES) 45K -- 59K 66K

Lm4903(7-layers) 49K 51K 58K 64K 67K

4.2 鏡面鍍膜:

為了使共振腔內光子密度增加和起始電流下降，我們對雷射做鏡面鍍膜，鍍膜原理 和製程如 2.8 節和 3.3 節所述，圖 4-2-1 和 4-2-2 為五層量子點鏡面鍍膜前後的 L-I-V 圖，圖中可以明顯看到 I-V 曲線並沒有改變，即鏡面鍍膜並不會改變雷射二極體的電性 表現，從鍍膜後的 L-I 曲線觀察到斜率效率較鍍膜前的斜率效率增加，從斜率效率的變 化我們可以計算出鏡面鍍膜後的反射率，利用式(2.28)，可以計算出R_coating約 94%。接 著對鍍膜後的雷射晶片做變溫量測，圖 4-2-3 與圖 4-2-4 為鍍膜後變溫 L-I-V 圖，圖 4-1-13 與圖 4-1-14 為鍍膜前的 L-I-V 圖，鍍膜後的起始電流隨溫度變化較少且斜率效 率隨溫度上升下降幅度較小，鍍膜後的特徵溫度為 66K 相較於鍍膜前 59K 增加約 11%。

特徵溫度增加原因和共振腔增長特增溫度增加一樣，因為鏡面損耗變小，所需要的增益 變小，因此 thermally escape 影響增益的程度變小，所以不需要增加大量電流來補充 損失的載子，因此有較大的特徵溫度。

表 4-1-2 不同共振腔長度 T⁰比較表

46 W=10um,20^oC

L=1500um W=20um,20^oC

L=1500um 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V) 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW)

47

280 290 300 310 320 330 340 350

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Lm4881_QDLD_5-layers_Coating L = 2500um, Ground State 10us/1ms (duty cycle=1%)

To=66k

ln(Jth) (A/cm2)

Temperature (K)

10um 20um 50um

4.3 Relative Intensity Noise :

半導體雷射操作在高頻時必頇滿足: 1.短共振腔長度。 2.共振腔內高光子密度。 3.

微分增益高。雷射鏡面鍍膜可以讓鏡面損耗變小，提高共振腔內光子密度，也可以在短

微分增益高。雷射鏡面鍍膜可以讓鏡面損耗變小，提高共振腔內光子密度，也可以在短

在文檔中 半導體量子點雷射之主動層結構研究 (頁 46-0)