第四章 實驗設計
4.4 量測方法
此節我們詳細介紹每一個量測步驟以及目的。
1. 先將雷射晶片放置於溫控銅座上，並保持銅座溫度為 20 度
2. 利用三軸控制平台控制準直鏡的位置使光路為理想平行光。我們會先確認光 路在近處或遠處的高度都一樣，且光點的大小與形狀不因為距離遠近而有所 改變時，則完成此校正。
3. 放置反射鏡(mirror)於右側光路距離雷射晶片約 25cm，並將右側光路打回雷 射晶片。首先我們要確認反射光的高度是否與入射光相同，接著慢慢將光水 平的移動至入射方向，同時在左側用光功率偵測器(Power meter)，如圖 4-15，
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目的為確認左側輸出光功率，此值為最大時，即為右側光回饋情況最佳的位 置，我們會紀錄有反射鏡時的光功率與沒有反射鏡時的光功率，以保證每次 的波長調制都是在右側具有相同等效反射率的情況下進行。
圖 4-15 用光功率偵測器確認反射鏡回饋效果之示意圖
4. 放置繞射光柵且距離雷射晶片約 35cm@L=3mm；45 cm@L=2mm，並選定一 階反射的波長反射至雷射晶片。如同步驟 4. 我們要先確定光柵的零階反射與 一階繞射是否在同一個高度上，尤其是一階繞射是由不同波長的光散開組合 而成，更要確定每個波長都在入射光與零階反射所展開的平面上，接著我們 在右側的準直鏡與反射鏡之間放置光功率偵測器，在選定波長之後，調節左 側準直鏡的 X 軸與光柵控制反射光高度的那個軸(軸 C)即可，如圖 4-16，同 時確認右側的光功率偵測器收到最大值，即為最佳的位置。只需要控制那兩 個軸的原因為：準直鏡的 X 軸可改變光(beam)點大小，讓我們能將耦合損失 降到最低。而 Y 軸會改變光柵的入射光方向，進而導致入射光角度不同，使 得反射回來的光不是我們想要的波長，因為在 Littrow 架構下，由光柵方程式 可知道，在固定光柵 不變 且同為一階反射光的情況 ， 入射角與反射角 即可決定波長 。而不移動 z 軸的原因則是其與光柵調整座 的 C 軸功能相同都是會改變反射光的高度，雖然也是降低耦合損失的重點，
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但相較於 C 軸而言更敏感，且解析度更差，不好調整。接著講光柵座的軸：
A 軸，是我們選擇波長的主要軸，並無法使光線耦合損失減少，只會改變反 射光波長，因此在減少光耦合損失的過程中並沒有幫助。而 B 軸沒有實質上 的幫助，微調外腔長度而已。因此我們只須調整軸 X 與軸 C。
圖 4-16 用光功率偵測器確認繞射光柵回饋效果之示意圖
5. 將光功率偵測器拿開，即可從光柵的零階反射光收到我們需要的雷射，如圖 4-13。我們先利用多模態光纖(multi-mode fiber)將光收至光譜分析儀中，在確 認 波 長 位 置 後 ， 分 別 取 以 波 長 為 中 心 且 正 負 20nm 的 範 圍 以 及 範 圍 1100nm~1300nm 的兩個範圍的隨著電流改變的光譜圖，再使用 Ge 光偵測器 量測 圖，而如前文所說，Ge 光偵測器對不同波長有不同的響應，因 此我們再用 ILX Light wave 的 power meter(OMH-6727B)做校正，即完成此特 定波長的量測。
6. 在量測下一條波長前，將 power meter 放置於光柵與雷射晶片之間，量測經過 反射鏡回饋後的左側出光是否與調整光柵前相同，若因為實驗室場所其他區 域的震動或是自己不小心碰到儀器等關係而導致光功率與之前不同，一定要
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將其調回原本的值，此目的為確認右側的等效反射率是否每次都在相同的條 件。因為等效反射率會影響閥值增益，若每次的閥值增益都不相同，會使得 閥值電流變的非常不平滑。
7. 改變光柵角度並量測且校正，即重複步驟 4. 5. 6.。
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第五張 啁啾式堆疊之量子點外腔式雷射 5.1 磊晶結構
由於披覆層厚度不同，會改變量子點大小導致發光波長不同，DO935 式片 將三種披覆層厚度的量子點組合起來，達到增加增益頻譜的目的，不同披覆層厚 度導致的量子點發光波長變化如圖 5 - 1 所示[8, 28]，而波長位置與披覆層厚度 d 的關係可用下式擬合[29]：
………….……. (5-1)
圖 5-1 不同披覆層厚度下，量子點在室溫下 PL 之基態與激發態位置對應圖
實 驗 使 用 的 晶 片 其 結 構 示 意 圖 如 圖 5-2 所 示 。 我 們 利 用 分 子 束 磊 晶 ( Molecular Beam Epitaxy, MBE )在 n+ GaAs 基板上成長砷化銦 ( InAs )以自聚 式成長( self-assembled growth )的量子點做為主動層。先在 n+ GaAs 的三吋基板
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上成長 GaAs 並參雜 Si；接著再長一層 20nm 的折射率漸變 ( graded-index, GRIN ) 層，成分為 ，其中的 Al 參雜濃度隨著厚度從 0 慢慢增加為 0.35；接 著長 1500nm 的 N 型披覆層( cladding layer) ，皆有 Si 參雜。
接著在長主動層之前，先用厚度 83nm 的無參雜 GaAs 做為分離侷限異質結 構(separate confinement heterostructure, SCH)；主動層總共 10 層量子點，以改變 披覆層( capping layer ) 的厚度來控制量子點的大小，進而調配量子 點的發光波長。這 10 層量子點分別由下面 4 層覆蓋層皆為 4nm，中間 3 層覆蓋 層皆為 3nm，上面 3 層覆蓋層皆為 1.5nm 所構成，而每層量子點之間都有厚度 33nm 的未參雜 GaAs 隔開，以避免掉量子點磊晶時所產生的內部應力(strain)。
最後再以厚度 50nm 無參雜 GaAs 的 SCH 做為主動層的結束。
接著長厚度同為 1500nm 的 P 型披覆層 ，並參雜碳；接著是 20nm 的折射率漸變層，Al 的比例隨著厚度從 0.35 慢慢降為 0；最後再長厚度 400nm 的導通層( contact layer )做為結束。
圖 5-2 我們所使用之試片 DO935 其主動層結構示意圖
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5.2 光放大器之基本特性量測
我們使用的晶片其製程過程與方式與半導體雷射極為相似，只差在有傾斜 7 度角，導致鏡面反射率下降非常多，功能相當於半導體光放大器(Semiconductor
Optical Amplifier, SOA)。我們先量測基本的兩側出光特性，以及經過反射鏡之後
增加的強度。首先定義左側光的光功率為 ，右側光的光功率為 ，經過右側反 射鏡反射後的左側出光之光功率為 ，如圖 5-3 與 5-4 所示。圖 5-3 沒有反射鏡時的架構圖
圖 5-4 有反射鏡時的架構圖
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DO935, L=2mm, W=5um, 20C
pulse:duty cycle=1%(10us/1ms)
46
1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70
1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70
47 (amplify spontaneous radiation, ASE)。
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
pulse:duty cycle=1%(10us/1ms)
48
DO935, L=3mm, W=5um, 20C pulse:duty cycle=1%(10us/1ms)
1100 1150 1200 1250 1300
-70
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
OSA:ave1_res0.5_ref-30_high1
I
1圖 5-10 長度 3mm 的晶片， 之光譜圖
49
1100 1150 1200 1250 1300
-70
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
OSA:ave1_res0.5_ref-30_high1
I
2圖 5-11 長度 3mm 的晶片， 之光譜圖
1100 1150 1200 1250 1300
-70
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
OSA:ave1_res0.5_ref-30_high1
I
3圖 5-12 長度 3mm 的晶片， 之光譜圖
50
DO935, L=3mm, W=5um, CW, 20C
圖 5-13 與 之 FWHM 隨著電流變化的改變情況
圖 5-6~7 、 圖 5-10~12 可 看 出 來 ， 雖 然 我 們 用 啁 啾 式 堆 疊 量 子 點 (Chirped-Multilayer Quantum Dot)做為主動層，但還是看的出有基態與激發態，
而非我們所要求的光譜平滑且寬廣的平均分佈於基態與激發態之間，雖然它們之 間的 dip 相較於一般單層量子點而言已經小了許多，且由圖 5-13 可知，加了反 射鏡後的 因為激發態強度上升的幅度比基態快上了許多，而使得半高寬最多只 到 44nm，只有不加反射鏡情況下的 100nm 一半不到。圖中我們可看出，基態約 在 1255nm，激發態約在 1186nm，相差約 69nm。由於我們的晶片，兩側反射率 都極低，在沒有任何外部回饋的情形下，光幾乎不會在共振腔中行進兩次，也就 是其為單趟放大(single pass)，在這個情形下，我們可從放大自發性輻射(amplify spontaneous radiation, ASE)的光譜中大至看出增益頻譜的變化。因此圖 5-10 大約 可以看出，在沒有反射鏡回饋的情況下，激發態的增益在 50mA 之後就開始慢慢 出現，到 125mA 時與基態的增益相同，也就是圖 2-3 的 A 點，但一直到 150mA 時，才由激發態主導其發光，而基態在 125mA 後就已經飽和不再增加，另外電 流從 100mA 增加到 150mA 的過程中，不乏有基態與激發態之間的 dip 超過 3dBm 的情形發生。
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圖 5-12 看出電流在增加到 175mA 以上就有雷射發生，並且有好幾條同時存 在，我們將光譜範圍縮小至 20nm，使儀器可在此多模態光纖之最高的解析度 0.1nm 下量測如圖 5-14。在電流 185mA 之後開始有雷射出現，分別在 1183.1nm、
1186.9nm、1190.2 nm、1195.9 nm，SMSR(side mode suppression ratio)最小 7.5dBm 到最大 31.05dBm 都有，平均為 18.42dBm，其不同發光波長位置並沒有漂亮的 單模發光，而是旁邊存有許多雜亂的模態，半高寬(Full width at half maximum, FWHM)由於解析度不夠高的原因，因此只能知道小於 0.06nm。
由光譜的發光順序可看出，增益頻譜的最大值先在 1190.2 nm 達到臨界增益 (threshold gain, )，接著往短波長移動使 1183.1nm 與 1186.9nm 發出雷射，電 流再加高則往右填滿至 1195.9 nm 使其也發出雷射。
1175 1180 1185 1190 1195 1200
-40
1175 1180 1185 1190 1195 1200
wavelength(nm)
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5.3 外腔式雷射特性量測
外腔雷射特性的量測過程已經在前面描述，圖 5-15 為長度 的晶片 在溫度 20 度 C 下，由電源供應器 KEITHLEY 2520 透過探針注入連續波(CW)電 流，並且在電流值不同時的波長可調範圍。由於最低的閥值電流為 70mA，位於 1245nm，因此直到 80mA 才有三條在位置 1186nm、1200nm、1245nm 的雷射光 出現，且並非連續而是中間空了的 45nm 都無法達到閥值增益，這位於 GS 與 ES 之間的範圍在 120mA 之後都有發生雷射。另一方面在 1162nm 位置的雷射因為 熱效應較其他情況明顯，因此在 200mA 時便無法產生雷射。圖 5-15 中的這些雷 射其發光最強的位置至少都高出 ASE 約 16dBm。在 200mA( )以下，
我們可以得到可調範圍為 1140nm~1269nm(129nm)。
1100 1150 1200 1250 1300
-60
1100 1150 1200 1250 1300
200mA
53
1100 1150 1200 1250 1300
-80
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1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 0
才有 33.3dBm 的差距，相較於長波長 1285nm，電流加再高，也無法發出雷射，
頂多就是一個 SMSR 約為 2.2 的隆起。這是因為基態所在的長波長的部分在電流 約為 125mA 時，其增益就已經飽和，不管電流增加多少，主動層的增益都無法
55
1100 1150 1200 1250 1300
-75
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
OSA:ave1_res0.5_ref-20_high1
1144nm
圖 5-18 調變波長位置為 1144nm 時的光譜對電流變化
56
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
@1144nm
1100 1150 1200 1250 1300
-80
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
OSA:ave1_res0.5_ref-20_high1
1271nm
圖 5-20 調變波長位置為 1271nm 時的光譜對電流變化
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1100 1150 1200 1250 1300
-60
1100 1150 1200 1250 1300
wavelength(nm)
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1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 0
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
(pulse:10us/1ms, 1%)
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1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 0.0
DO935, L=3mm, W=5um, 20C
CW
1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 12800 350
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第六章 結論與未來展望 6.1 結論
此篇論文我們使用多層量子點結構做為主動層，並且改變其披覆層的厚度，
使得其自發性發光之光譜可以很寬廣，且在 GS 與 ES 之間沒有明顯落差，並將 此晶片之光波導傾斜 7 度角使之 FP mode 得到很好的壓制。我們將此晶片利用 Littrow 做外腔式雷射的調變。另外其光強相較於其最強的 ASE 皆高出了至少 16dBm。
在固定溫度為 20 度 C 的情況下，我們可將波長從 1271nm 調變至 1140nm，
其範圍超過 130nm，且閥值電流密度最高只約在 而已，如圖 5-24。在 晶片長度為 2mm 時，得到 1140nm 至 1269nm 的調變範圍，其閥值電流密度在 至 ；在晶片長度為 3mm 時，得到 1144nm 至 1271nm 的調 變範圍，其閥值電流密度在 至 ，並且再增加電流可以再往 更短波長的雷射延伸。
其範圍超過 130nm，且閥值電流密度最高只約在 而已，如圖 5-24。在 晶片長度為 2mm 時，得到 1140nm 至 1269nm 的調變範圍，其閥值電流密度在 至 ；在晶片長度為 3mm 時，得到 1144nm 至 1271nm 的調 變範圍，其閥值電流密度在 至 ，並且再增加電流可以再往 更短波長的雷射延伸。