第四章 西格馬型環型雷射輸出特性量測
4.2 環型雙輸出雷射輸出模態量測
為了使量測時不會因有雙輸出的結構而產生錯亂，所以我們依西格馬型環型 共 振 腔 之 輸 特 性 將 出波 導 定 義 成 順 時 針 方向 (Clockwise ， CW) 與逆 時 針 方 向 (Counterclockwise，CCW)，其方向定義如圖4.7，4.8。
圖4.7 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 1
圖4.8 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 2
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這次實驗脊型波導蝕刻高度約1μm，接下來將會針對順時鐘波導(cw)與逆時鐘 波導(ccw)的光譜、L-I等量測結果作討論。圖4.9為我們進行量測時的雷射波導模型 及相關尺寸。其中L1為非波導區的長度，L2為波導區的長度，D為環型共振腔直 徑，w為波導寬度。
圖4.9 量測雷射的相關尺寸圖
如我們之前所說透過結構上的改變，破壞其原本的對稱形狀，我們在環形共 振腔中多了一段 S 型或逆 S 型的脊狀波導，透過這個脊狀波導去將原本逆時鐘的 能量轉移至順時針方向或將原本順時鐘的能量轉移至逆時針方向，藉此去強化其 中一端的輸出達到控制的目的，我們在下面篇幅用一組傳統環形雷射來做參照 組。
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在傳統環形雙輸出雷射當不同的環半徑(r)、直線波導長度( )、直線波導損
耗( )、環型波導耦合進線型波導的比例(T)及鏡面反射率(R)的改變，會有先滿
足順時針增益
g
cw(N)
或是逆時鐘增益g
ccw(N)
的問題。我們以環半徑為 400μm、直 線波導長度(500μm)的環型雙輸出雷射來作為觀察。圖4.10 環型雷射雙輸出元件圖
圖4.11 Sample(A)示意圖
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638 640 642 644 646 648 650 652 654 656
圖4.12 Sample(A)光譜圖
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
圖4.13 Sample(A)L-I圖
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如我們之前所說的，環型雙輸出的順時鐘方向以及逆時鐘方向根據不同的
Γ
、 g(N)、α、T、R，順時鐘方向以及逆時鐘的輸出功率也會跟著不一樣，而在 SAMPLE(A) 的光譜與 L-I 看來，可以發現波長比較短的 CW 端對應的是相對高的功率，波長比 較長的 CCW 端對應的是相對低的功率。我們接著以環半徑為 400μm 的西格馬型環型雙輸出雷射 Sample(B)如圖 4.14 來作為觀察。
圖4.14 西格馬型環型雷射雙輸出元件圖 Type1
圖4.15 Sample(B)示意圖
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圖4.16 Sample(B) CW光譜圖
圖4.17 Sample(B) CCW光譜圖
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圖4.18 Sample(B) L-I圖
在 Sample(B)的 L-I(圖 4.18)看來，可以看出 CW 端的功率遠高於 CCW 端，由 此我們推論出環形中的 S 型脊狀波導結構將 CCW 方向能量導入 CW，因此 CCW 端的功率降低而 CW 端的功率增強。圖 4.16 和圖 4.17 也可以看出在相同電壓條件 下，CW 端的光譜已經達成雷射程度，而 CCW 端在 22V 時仍只是 LED，透過光 譜可以再次印證 CW 端強度遠高於 CCW 端。
再由式 2-43: Pcw/Pccw=1 +(1−𝑅𝑅𝑇𝑇)�𝛼𝛼−Γ𝑔𝑔(𝑁𝑁)�+𝑇𝑇2𝑘𝑘 來計算 K 值，將 Pcw/Pccw=4、
(1 − RT)=0.89、�α − Γg(N)�= -0.2、T=0.5 代入計算，我們可以得到 K=0.483。
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我們接著以環半徑為400μm 的西格馬型環型雙輸出雷射 Sample(C)如圖 4.19 來作為觀察。
圖4.19 西格馬型環型雷射雙輸出元件圖 Type2
圖4.20 Sample(C)示意圖
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圖4.21 Sample(C) CW光譜圖
圖4.22 Sample(C) CCW光譜圖
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圖4.23 Sample(C) L-I圖
在 Sample(C)的 L-I 看來，可以看出 CCW 端的功率遠高於 CW 端，由此我們 推論出環形中的逆 S 型脊狀波導結構將 CW 方向能量導入 CCW，因此 CW 端的功 率降低而 CCW 端的功率增強。圖 4.21 和圖 4.22 也可以看出在相同電壓條件下，
CCW 端的光譜已經達成雷射程度，而 CW 端在 30V 時仍只是 LED，透過光譜可 以再次印證 CCW 端強度遠高於 CW 端。
再由式 2-43: Pcw/Pccw=1 +(1−𝑅𝑅𝑇𝑇)�𝛼𝛼−Γ𝑔𝑔(𝑁𝑁)�+𝑇𝑇2𝑘𝑘 來計算 K 值，將 Pcw/Pccw=4、
(1 − RT)=0.89、�α − Γg(N)�= -0.2、T=0.5 代入計算，我們可以得到 K=0.483。
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我們接著以環半徑為400μm 的西格馬型環型單輸出雷射 Sample(D)和如圖 4.24 和傳統環型單輸出雷射 Sample(E)如圖 4.25 來做比較。
圖4.24 Sample(D) 示意圖
圖4.25 Sample(E) 示意圖
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圖4.26 單輸出L-I強度比較圖
由前面的推論中圖 4.24 環形中的逆 S 型脊狀波導結構會將 CW 方向能量導入 CCW，因此 CW 端的功率降低而 CCW 端的功率增強，由圖 4.26 的 L-I 比較圖中 我們可以發現，在單輸出的情況下，西格馬型環型單輸出雷射元件的功率遠高於 傳統環型單輸出雷射元件，由此可以印證不論是在雙輸出結構上或單輸出結構，
環形中的 S 型脊狀波導結構皆能產生效果。
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