外腔式雷射特性量測

實驗利用簡單的光學元件設計出單邊出光的 Littow 外腔式雷射架構，使用啁啾 式堆疊量子點雷射 ( CMQD Laser )搭配抗反射鍍膜與高反射 DBR 鍍膜， 耦合外部 繞射光柵實現外腔式半導體雷射，期望達到寬廣的波長可調變波段。

不同雷射長度的外腔式雷射特性

圖 4-14為在溫度 20 ^oC 下注入連續波( CW )電流密度為 1 kA / cm² ( 100 mA )下使 用啁啾式堆疊量子點雷射耦合光柵，使用光譜分析儀解析度為 0.05 nm 時所得到的不 同波長外腔式雷射頻譜圖。腔長為 1500 um、2000 um、3000 um 的雷射在電流 100 mA 下所能調制的波長範圍從短波至長波分別約為 1150 nm 至 1282 nm、1160 nm 至 1290 nm、1212 nm 至 1282 nm，而波長調制範圍分別約為 132 nm、130 nm、70 nm。旁模 抑制比( SMSR )大部分皆大於 40 dB。圖中可發現當波長越往長波調制時，約在 1260nm 附近漸漸出現另一小波包，此為源自於作完表面鍍膜後雷射的 Fabry – Perot 基態發光；而當波長越往短波調制時，則約在 1180nm 出現雷射的 Fabry – Perot 第一 激發態發光。因此若將外腔式雷射的波長往更短或更長的波段調制時，雷射的 Fabry – Perot 與光柵所選擇的波長之間的模態競爭 (模態競爭, mode competition )會變強，而 導致外腔式雷射的失效，也就限制住了外腔式雷射所能調制的波長範圍大小。

圖 4-15為在溫度 20 ^oC 下使用各種雷射長度的外腔式雷射臨界電流密度對雷射發

光波長的作圖。如圖所示，各種腔長所擁有的外腔式雷射的最低臨界電密度皆約在 0.2 kA / cm²附近，並且其波長位置同為鏡面由自然劈裂面形成之雷射的起始發光波 長 1255 nm 附近。腔長 2000 um 在電流密度 0.9 kA / cm²下所具有的調變範圍大約為 1160 nm 至 1290 nm，而腔長 1500 um 的雷射在電流密度 1.2 kA / cm²下具有從 1144 nm 至 1294 nm 的調變範圍，但兩者的曲線大致上相同。腔長 2000 um 的雷射由於較小的 鏡面損耗( mirror loss )，因此原雷射的臨界電流密度較低，造成應用在外腔式雷射時 較早的模態競爭出現，也就減少了波長可調制的範圍。而最長的 3000 um 腔長由於其

47

1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 -70

48

1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320

0.0

1255.5 1255.8 1256.1 1256.4 1256.7 1257.0 1257.3 0.0

49

外腔式雷射變溫實驗

圖 4-17為使用雷射長度為 2000 um，將溫度分別控制在 10 ^oC、20 ^oC、30 ^oC 的 外腔式雷射臨界電流密度對雷射發光波長的作圖。發現溫度每上升 10 ^oC 外腔式雷射 在注入電流密度為 0.9 kA / cm²下的可調變波段範圍往長波長移動約 6 至 7 nm，是由 於溫度的上升使得能隙變小，造成雷射的增益頻譜整體往長波長移動，即所謂的紅移 現象。圖 4-18的譜線 2 為溫度 30 ^oC、電流密度為 1.0 kA / cm²時的長波極限 1296.0 nm。

為使外腔式雷射應用於損耗最小的 1.3 um 光纖通訊波段以提高應用價值，結果如圖 4-18的譜線 3 所示，在溫度 45 ^oC、電流密度為 1.0 kA / cm²下波長最長可調變至約 1301.2 nm，與溫度 20 ^oC 時(譜線 1)的最長調變波長 1290.0nm 相比下差約 11.2 nm。

1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

30

C 20

C 10

C E C T h re s h o ld ( k A /c m

)

Tuned Wavelength (nm) (L,W)= ( 2000  m,5  m )

圖 4-17 ( L,W )=( 2000um,5um )雷射不同溫度下的臨界電流密度對外腔式雷射發光波長對應圖

50

1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 -70

-60 -50 -40 -30 -20 -10

1

1290.0nm@20^OC

3

1301.2nm@45^OC

P o w e r In te n s iy ( d B m )

Wavelength (nm)

1296.0nm@30^OC

2

@1.0 kA/ cm

(100mA)

圖 4-18 ( L,W )=( 2000um,5um )雷射在溫度 30℃、電流 100 mA 下所能調制的長波極限

51

52

nm 調變至 1296 nm。

1100 1150 1200 1250 1300 1350

Tuning range below 0.9kA/cm²from paper published in recent ten years

[130nm]

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1100 nm~1240 nm (130 nm)

1100 nm~1250 nm (150 nm)

1095 nm~1235 nm (140 nm)

1174 nm~1304 nm (130 nm) non-identical InAs QD (10 layers)

thesis 1160 nm~1290 nm (130 nm)

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