第三章 量子點雷射中的能態轉換
3.2 如何切換基態與激發態雷射
從對量子點雷射基本的特性量測中，我們已明瞭基態與激發態雷射出現的條 件及兩者之間的相互影響，此節我們將針對如何切換基態與激發態雷射做討論，
從實驗與別人的例子中，歸納並提出可能利用外部調變的方式，切換量子點基態 與激發態雷射的方法。
3.2.1 溫度控制
由 3.1.2 節，我們得知可利用溫度改變來控制基態與激發態雷射，即利用熱 效應使得臨界增益變大，高溫時，基態飽和增益小於臨界增益而無法達到雷射，
如圖 3‐3(a)為例，我們將雷射操控在 20 與 40oC，在相同電流下可達到單獨基態 或單獨激發態的雷射，然而利用溫度控制則調變速度太慢，且使雷射特性大幅降 低，又如圖 3‐1所示，在高電流下，熱效應亦會使得基態雷射消失而達到單獨激 發態雷射，雖為電流控制，但缺乏穩定性。
3.2.2 耦合吸收器(absorber)
[9][10]由於基態飽和增益較低，飽和輸出功率較激發態低了許多，從直覺上來想，
若利用耦合的共振腔做為吸收器，當基態增益飽和無法克服吸收而起振，而激發 態卻可隨著注入載子增多進一步提高增益克服吸收，預期將可藉由吸收器的調變 切換雷射能態，一般設計將一段長的雷射共振腔(基態雷射可存在)，耦合一段數 十至數百 μm 長的吸收器，利用吸收器操作在逆偏壓提高此區的吸收，並將載子 帶走，避免激發態輸出光被載子吸收後貢獻到基態。
圖 3‐4為 W. Zhou 等人所做，在固定增益段注入電流密度下，利用改變吸收
段偏壓，使雷射輸出波長具有 20meV 的改變，但一般量子點基態與激發態能量 差約在 50~80meV 左右，故推測其結果是量子點成長不均勻所致。
圖 3‐5為 A. Markus, M. Rossetti 等人所做，在他們的樣品中，當長度小於 1500μm 只有激發態雷射，他們設計共振腔長度 2000μm 讓基態與激發態雷射皆 可存在，利用耦合一長度 600μm 的共振腔做為吸收器，Jg與 Ja為增益段與吸收 段注入電流密度，Va為吸收段偏壓，在兩種操作模式下可得到基態與激發態雷射 的切換：
(1) Jg = 1080 ‐> 1930 A/cm2 ; Va = 0.1 ‐> ‐5 V 時，可得到圖 3‐5(b)中小視窗所示的 基態與激發態切換頻譜，但激發態並未完全關閉。
(2) 改變 Jg與 Ja，所得結果如圖 3‐5，橫軸為增益段電流密度，縱軸為光強度，
圖(a)為基態光強度，圖(b)為激發態光強度，不同的曲線代表不同的吸收段 電流密度，在垂線處可看到激發態雷射而基態輸出幾乎為零，然而隨著 Jg
增加，基態雷射又出現而變成兩個能態同時雷射。
利用長共振腔耦合吸收器，確實可在某些操作點達到基態與激發態雷射的切換，
但並不明確。
圖 3‐5 耦合吸收器調變基態與激發態 雷射(a)基態輸出強度(b)激發態 輸出強度[10]
ES
圖 3‐4 耦合吸收器調變雷射輸出波長 (a)元件結構(b)切換頻譜[9]
3.2.3 增益分配(Gain redistribution)
(
i m)
ES 至 excited state)，圖 3‐7(a)為不同能態自發性放射所對應的強度，約正比於不同 能態的載子累積數目，圖 3‐7(b)為增益曲線。
圖 3‐7 (a)計算量子點各個能態累積的載子量(b)增益曲線[14]
第四章 雙波長切換量子點雷射
藉由第三章實驗中的觀察與原理，我們利用 3.2.3 的概念，設計將一段長度 適中、基態雷射可存在的共振腔，分成兩段，利用注入不同的電流，個別控制其 增益，觀察在不同的電流分佈下基態(GS)與激發態(ES)雷射的情形，進而達到 GS 與 ES 雷射的切換。