3-1 980nm 雷射特性介紹
漸變侷限異質結構(Graded-Index Separate Confinement Hetero- structure; GRIN-SCH)量子井，是目前最常見的 980nm 半導體雷射基 本結構，如圖 3.1 所示。GRIN-SCH 量子井能夠使雷射活性區內的電 流注入效率提高，並且有良好的光侷限(Optical Confinement)特性 [26]。本實驗採用之工研院 980nm 雷射[27]亦採用此種結構。雷射磊 晶[27]採用了分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy; MBE)，脊狀波導 (Ridge Waveguide)結構的製作係在磊晶完成之後利用電漿輔助化學 氣相沉積法(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)先 沉積一層二氧化矽(SiO2)層，並將 3µm 的脊狀範圍定義出來後，利用 乾式蝕刻技術去除在脊狀範圍之外的SiO2，最後利用反應式離子蝕刻 法(Reactive Ion Etching; RIE)移除 Cap 層和 Cladding 層後便完成。脊 狀波導的結構會造成活性區橫向約10-2的折射率差，進而造成弱折射 率導波(Weak index guiding)作用[29]。弱折射率導波作用需要比較大 的波導寬度來將能量侷限，但是過大的波導寬度卻又會導致多橫模的 產生，因此典型的脊狀波導寬度為3µm。由於典型的活性區厚度約為 0.5µm，所以可知雷射發光區為矩形，也因此雷射在端面處會有橢圓 形的模場。典型的雷射模場橢圓長寬比在3~5 之間。如圖 3.2 所示，
橢圓長寬比的定義為橢圓遠場在長軸和短軸方向強度分布的半高全 寬(Half Maximum Full Width; FWHM)的比值，橢圓長寬比 ra與垂直發 散角θv、水平發散角θh的關係如(3.1)式所示
作雷射特性測量之前必需先將雷射晶片作罐式(Transistor Outline Can; TO-can)構裝，然後放進商用的專業測量儀器內測量。四角錐光 纖微透鏡實驗中使用的第一批單模雷射晶片及其特性測量係由工研 院[27]提供。錐式楔型光纖微透鏡實驗中使用的第二批雷射雷射晶片 及其特性測量係由購買廠商AXCEL Photonics[30]提供，AXCEL 雷射 構裝配置圖，如附錄 B1-1 所示。兩顆 AXCEL 典型雷射特性測量結
於光功率計的限制，光功率只能量到160 mW 以下。將工研院雷射與 AXCEL 雷射相比較，最大輸出功率分別為 300mW 和 500mW，臨限 電流分別是 35~45mA 以及 27~29mA，斜率效率(Slope Efficiency)分 別是0.96~0.99mW/mA 以及 0.88~0.95 mW/mA。
3-2-2 雷射發散角與長寬比的測量
將 TO-can 雷射放進商用測量儀器內，選擇一個適當的雷射操作 電流讓雷射發光，雷射光場經過衰減器將光功率衰減至適當大小後，
遠紅外線 CCD 攝影機會自動在兩個不同位置上擷取雷射遠場圖樣 (Far-Field Pattern; FFP)，然後經電腦軟體計算分析而得到雷射的發散 角。圖3.4 為工研院雷射在不同操作電流下的遠場測量結果。將工研 院雷射與 AXCEL 雷射相比較，AXCEL 廠商所提供的雷射發散角是 在操作電流 450mA 下測得，典型的垂直和水平發散角分別為 7°和 30°。工研院雷射的典型垂直和水平發散角則分別為 8°和 40°。兩種 雷射均表現出單橫模特性。此外由圖3.4 可發現當操作電流上升時，
工研院雷射FFP 的左右對稱性會變差。當操作電流大到 200mA 時，
FFP 甚至不再類似高斯分布，而成為具有雙峰值的圖形，這樣的結果 可能會導致雷射在高功率時與光纖微透鏡的模態匹配較差，進而使得 耦光效率下降。
3-2-3 雷射頻譜的量測
將 TO-can 雷射放進商用測量儀器內，選擇一個適當的雷射操作 電流讓雷射發光，之後將雷射光經由光纖導入光譜分析儀(OSA)中測 量頻譜。為了避免傷害光譜分析儀，系統會讓導入光纖的雷射輸出功 率衰減至 10mW 以下。圖 3.5 為兩顆工研院雷射在操作電流 100mA 下的雷射頻譜測量結果。雷射的中心波長分別為 968.2nm 和 971.8 nm，而兩顆 AXCEL 雷射的中心波長皆為 979.0nm。由於兩種雷射都 是屬於 Febry-Perot 雷射，所以在頻譜上皆會有多縱模的表現。
3-3 透鏡結構參數測量
光纖微透鏡外觀測量的參數如圖3.6 所示，分為光纖微透鏡曲率 半徑(Radius of Curvature)和偏軸量(Offset)兩個部分，技術上是利用顯 微鏡照相擷取光纖微透鏡的外觀影像，將相片存入電腦中，以 CAD 軟體於相片中繪製光纖微透鏡的輪廓曲線，藉此輪廓曲線測量光纖微 透鏡曲率半徑及偏軸量。測量參數時是以相片中的光纖直徑當作 125µm 的相對長度標準，所以外觀影像的品質、輪廓曲線的繪製和相 對長度的誤差都會造成測量誤差的產生。一般而言在熟練操作的情況 下，以顯微鏡照相測量光纖微透鏡參數的誤差約在0.5µm 以內。
3-4 耦光效率測量
雷射與光纖之耦光效率量測架構，如圖 3.17 所示，為了維持雷 射操作溫度在室溫25℃下，我們將含有次載具(Submount)的雷射晶片 和熱敏電阻置於熱電致冷器上，並且將熱電致冷器連同雷射晶片置於 一穩定平台上。透過熱敏電阻將雷射晶片溫度回授，再透過溫度控制 器控制熱電致冷器的工作以達成雷射晶片的恆溫控制。當溫度穩定 後，固定一個大於臨限電流之雷射驅動電流，得到一個相對應之雷射 發光功率值Ps，此時將置於五軸移動和轉動平台上的光纖微透鏡，在 兩軸的 CCD 攝影機放大影像觀測下與雷射對準，並紀錄光纖耦合功 率的最大值Pf，則耦光效率即為 Pf / Ps。
3-5 耦光效率校正
由於雷射功率-電流曲線的測量以及光纖耦光功率的測量使用了 不同的驅動電流源和光功率計，為了確定耦光效率測量結果無誤，我 們使用相同的驅動電流源和光感測器[24]來測量雷射輸出功率 P’s 和 最大光纖耦光功率P’f，最後得到校正過的耦光效率 P’f / P’s。
3-6 光纖遠場圖樣測量
由於橢圓形光纖微透鏡的最佳垂直曲率半徑在 3~5µm 之間，較 佳的測量誤差應在0.1µm 以內，而顯微鏡照相測量光纖微透鏡參數的
誤差只能達到 0.5µm 以內，所以無法精確的判斷出光纖微透鏡的品
3.9(b)所示之橢圓形光纖微透鏡 FFP 則呈現橢圓高斯分佈。圖 3.9(c) 為有缺陷之橢圓形光纖微透鏡FFP，偏軸量或微透鏡的結構扭曲等缺 陷，都會造成FFP 的不對稱甚至畸形。
3μm
n-AlxGa1-xAs cladding
n-GaAs sub.
n-GaAs buffer
n-AlxGa1-xAs graded buffer n-AlxGa1-xAs graded buffer P+-GaAs cap
SiNx Au/Cr
(a) GRIN-SCH Strained Quantum-Well Laser Structure
InGaAs GaAs
i-AlGaAs
AlGaAs
(b) GRIN-SCH Band Diagram
圖3.1 GRIN-SCH 應變量子井雷射結構與能帶圖[26-28]