自相關儀量測平台架構

在量測脈衝寬度上，我們利用強度型自相關法來作量測，其原理如 3.4 節所述。

而在實驗架構上，首先是將被動式鎖模脈衝雷射樣品所輸出之雷射脈衝先以透鏡將之 轉為平行光，並透過兩面反射鏡調整光之行徑路線，使光路能水平地入射至整合的強 度型自相關儀(FR-103XL)，且由於二階諧波轉換器對單一偏振方向有較好的轉換效率，

因此為了有更好的二階諧波訊號強度，故在自相關儀前方加上一偏振片(Polarizer)將 雷射脈衝光之偏振方向轉為90 度角後再輸入自相關儀。此自相關儀之內部構造，如 圖4-3，其輸入之脈衝光在經由分光器分光之後，其中一道光打入一個可旋轉的反射 鏡，藉由反射鏡穩定地旋轉而產生週期性的光程差，再透過其餘鏡面反射，最後透過 拋物面鏡匯聚於二階諧波產生器，此二階諧波產生器以LiIO3晶體為材料，其有特殊 的切割角度，使兩道光能以一夾角交叉入射，並在兩道穿透光中間產生倍頻光。以適 當大小的洞將兩道穿透光遮蔽並僅使倍頻光通過至光電倍增管(Photomultiplier, PMT) 轉換為訊號給示波器讀取。由於少了兩道穿透光產生的背景值，故在示波器顯示的為 一個無背景的二階諧波訊號。因為自相關儀是利用反射鏡的周期性地旋轉來產生一固 定範圍的光程差，因此其能偵測訊號的延遲時間的範圍也是固定的，所以除了可以利 用此自相關儀來測量脈衝寬度之外，還可以透過固定延遲時間範圍內所偵測到的二階 諧波訊號的波包數與波包間距來推斷此被動式鎖模脈衝雷射所產生的脈衝的週期與 頻率。

圖 HG crystal) 則為示波器

30

電壓電流供應源、光譜分析儀、RF 頻譜分析儀與自相關儀等，每台儀器都只能獨立 運作無法互相溝通協調，因此必須透過每台儀器的GPIB 埠串接於電腦上並利用特別 撰寫的Labview 程式做自動化的操作。此 Labview 程式不僅能按照規劃好的操作方式 逐一測量每個操作點，並且擷取儀器上顯示的譜圖後儲存於電腦檔案中，還可加入特 殊設計的擬合(Fitting)子程式將譜線中的許多資訊，諸如峰值強度位置與半高寬等數 值萃取出來。此自動化的量測對於分析被動式鎖模雷射來說極為重要，因為可以利用 所萃取出來的數值繪製成一張三維的地圖(Mapping)，透過此地圖可以很簡單且快速 地判斷穩定輸出鎖模脈衝的操作區域與變化趨勢，更可以找出最佳的鎖模脈衝的操作 點做更進一步的分析。

4.4 量子點雷射的磊晶與元件製程

晶片結構與成長

在本論文中，使用的試片為編號 Lm4917，由分子束磊晶(Molecular beam epiaxy, MBE)成長的五層砷化銦量子點雷射，圖 4-4 為其結構圖。先在 n⁺ GaAs 晶圓上面成 長一層200nm 的 n⁺ GaAs buffer，接著在 n⁺ GaAs buffer 上成長 100nm 的漸變層，鋁 的比例從0.1 到 0.4，接著成長厚度 1.4μm 的 Al0.4Ga0.6As 當 n-type 披覆層(Cladding layer)，再來是 150nm 的 SCH (Separate confinement hetrostructure) GaAs，接著成長主 動層，主動層由2.6ML 量子點上面覆蓋 5nm 的 In0.15Ga0.85As 量子井，形成 DWELL(Dot in well)結構，每層量子點以 45nm 的 GaAs 隔開。成長 150nm 的 SCH GaAs 後，然後 是 1.4μm 的 Al0.4Ga0.6As p-type 披覆層，最後是 100nm 的漸變層和 240nm 的 p+

contact。

圖

被動

並用

圖4-4 量子

動式鎖模量子

圖4-5 為被 用稀釋鹽酸去

子點雷射晶圓

子點雷射元

被動式鎖模 去除晶圓表

圓(Lm4917

元件的製程

量子點雷射 表面氧化層

31

7)剖面結構

射由晶圓到

，接著以電

構示意圖與在

到元件晶片的 電漿輔助化學

在電子顯微

的製程流程 學氣相沈積

微鏡下切面照

程，首先以丙 積(Plasma-e

照片

丙酮清洗 enhanced

32

chemical vapor deposition, PECVD) 在 300℃的條件下沉積一層厚度約 350nm 的氮化 矽(Si3N4)作為硬遮罩(Hard Mask)。在第一道黃光微影中，以正光阻(AZ6112)定義出線 條 寬 度 為 5μm 與 10μm 的 脊 狀 波 導 的 位 置 。 定 影 之 後 再 用 電 感 耦 合 電 漿 式 (Inductively-Coupled Plasma, ICP)蝕刻系統通入 CHF4與O2氣體，將表面無光阻遮蔽 的氮化矽完全去除，使光阻的圖案轉移到氮化矽的硬遮罩上。接著去除光阻後，以氮 化矽為硬遮罩，同樣用電感耦合電漿蝕刻的方式，通入SiCl4與Ar 氣體做非等向性蝕 刻砷化鎵，產生具有筆直側壁的脊狀波導，而兩波導之間的蝕刻深度均超過量子點主 動層以增加載子與光場侷限效果。以光阻旋塗機均勻塗佈 SU-8 負光阻，並以 340℃

加熱4 分鐘以上，目的在使其溶劑揮發而緊密地固定於晶圓表面，並作為絕緣介電質 來區隔各個脊狀波導。再以電感耦合電漿蝕刻機，通入 O2氣體小心地蝕刻晶圓表面 的 SU-8 負光阻絕緣層直到被 SU-8 光阻所覆蓋的脊狀波導上的氮化矽層剛好都裸露 出為止，如此可以減低波導與旁邊絕緣層的高低差達到平坦化的目的，有助於增加金 屬電極附著波導的能力。此時再浸泡氫氟酸溶液去除脊狀波導上的硬遮罩氮化矽，接 著以第二道黃光微影，用負光阻(AZ5214E)在每個脊狀波導間產生 300μm 寬的隔離區 分隔不同的雷射，以及波導上方定義出一條寬度約 5μm 並垂直於波導方向的絕緣溝 槽(Gap)來劃分出隔離增益區塊與吸收區塊。然後用電子槍蒸鍍的方式鍍上 P-type 金 屬(Ti:30nm/ Pd:30nm/ Au:250nm)做正電極，再用 Lift-off 的方式將隔離區與溝槽位置 上的金屬去除掉。同第二道黃光的圖案做第三道黃光微影，但此次改用正光阻 (AZ6112)覆蓋於晶圓正面的金屬電極之上用以保護金屬電極，避免在蝕刻被破壞，並 同樣用電感耦合電漿蝕刻機蝕刻砷化鎵，在之前脊狀波導上的金屬電極之間定義的位 置，蝕刻約70nm 深的溝槽，以隔離加之於增益區塊與吸收區塊的電流，此隔離器可 以在兩區塊間產生約2kΩ的電阻。接著我們會磨薄試片背面到剩下 200μm 左右，目 的是使得劈裂較為容易，最後是以電子槍蒸鍍系統在背面蒸鍍n-type 金屬(Ni: 30nm/

Ge:50nm/ Au:200nm)，然後在 330℃之下熱退火使金屬電極附著力更強，而使用較低 的退火溫度是為避免使SU-8 絕緣層因高溫產生變質。將完成的晶圓在預先設計的位 置劈裂開來，產生反射率約32%為的自然劈裂面，到此元件便完成，而圖 4-6 為所完

成元 極並Lift-off

試片背面磨

圖 4

圖

4-4-6 電子顯 與 振腔中的

-7 Lm4917 的特性曲

顯微鏡下經平 分別表 的長度。

被動式鎖模 曲線，以及

平坦化後的 表示增益區域

模量子點雷 及(b)其對應的

34

的脊狀波導鏡 域(Gain sec

雷射在兩個區 的發光波長

鏡面端照片 ction)與吸收

區域電極並 長。

片與完成的元 收區域(Abs

並聯下，(a)注

元件立體示 sorber secti

注入電流對

示意圖。

ion)在共

對光強度

35

第五章 實驗結果與討論

5.1 鎖模量子點雷射的光特性曲線

首先我們針對一個共振腔長度為 2mm 寬度為 5μm 的被動式鎖模量子點雷射元件 成品，其吸收區域與增益區域的比例為 1:7，即吸收區域與增益區域分別為 1.75mm 與0.25mm。在室溫 20℃下，對吸收區域加諸不同的逆向偏壓，測量增益區域注入電 流對輸出光特性曲線(LI curve)，如圖 5-1。逆向偏壓由 0V 開始每增加-1V 就測量一 次直到-8V，而 LI curve 在 0V 幾乎為 CW 雷射輸出，起初隨著逆向偏壓增加，吸收 光產生的電子電洞被帶走的速度加快而使吸收區域的非飽和吸收能力增加，因此在損 耗增加的情況下，造成臨界電流隨之上升。但到-6V 開始有著不同的情況，隨著逆向 偏壓增加，而臨界電流卻不再增加反而下降。

這一點可由量子點的吸收光譜來解釋，在一量子點材料的吸收光譜中，逆向偏壓 增加產生相當大的電場，而發生量子侷限史塔克效應(Quantum-confined Stark effect)

[24-26]。在無外加電場的情況下，在量子侷限結構(諸如量子井與量子點等)中，其電

子與電洞僅能存在能量不連續的能階上，而此能量不連續的能階造成此系統在吸收或 放出光子時，有特定而不連續的頻率。當加入外加電場時，因電子與電洞的分布機率 受電場的影響而往相反的方向偏移，如圖5-2，因此使電子與電洞分布機率的重疊部 分減少，使得復合發光的機率減低，而若作為吸收介質，則會使吸收的效率減低。因 此逆向偏壓增加，雖然在一開始能加速帶走因吸收光產生的電子電洞，讓光在吸收區 域內的損耗增加，使臨界電流上升，但由於過大的電場會使吸收效率下降，使得損耗 開始減少，臨界電流反而下降。

圖

5-圖

5--1 共振腔長 同的逆向

-2 量子侷限 率偏移，

長為2mm 且 向偏壓下的

限史塔克效

，並產生能帶

且含有250 的，注入電流

效應示意圖 帶彎曲而改

36

0μm 的飽和 流對輸出光

：在外加電 改變吸收或

和吸收區的被 光特性曲線

電場 之 或發光效率，

被動式鎖模

。

之下，使電子 以及吸收發

模量子點雷射

子與電洞的 發光光譜的

射，在不

的分布機 的紅移。

37

5.2 鎖模脈衝的特性

為了要探討不同操作點下的脈衝特性，因此參考上節所得之臨界電流大小而規劃 一量測區域，並由自動化量測系統量測，可得出脈衝寬度、重複頻率與中心波長的三 圍強度圖，如圖 5-3。在圖 5-3(a)中可以很清楚地發現，代表短脈衝的藍色區域都位 於高逆向偏壓與低增益電流處，而在右上角的低逆向偏壓與高增益電流處，則因脈衝 寬度大於脈衝間的距離而被判定為連續波。在圖5-3(b)與(c)中可以發現，高重複頻率 與長中心波長都集中於相同的位置，即高逆向偏壓與高增益電流處。這兩者的關係可 由，半導體內的色散現象來解釋，在一般半導體雷射的主動層多為正色散(Normal dispersion)，波長愈長則折射率愈低，而折射率又與重複頻率為倒數關係，故當雷射 光波長變長則重複頻率也變高。為了更精確地分析逆向偏壓與增益電流在被動鎖模雷 射中所產生的影響，以下我們將分別就固定增益電流與固定逆向偏壓來做進一步的探

為了要探討不同操作點下的脈衝特性，因此參考上節所得之臨界電流大小而規劃 一量測區域，並由自動化量測系統量測，可得出脈衝寬度、重複頻率與中心波長的三 圍強度圖，如圖 5-3。在圖 5-3(a)中可以很清楚地發現，代表短脈衝的藍色區域都位 於高逆向偏壓與低增益電流處，而在右上角的低逆向偏壓與高增益電流處，則因脈衝 寬度大於脈衝間的距離而被判定為連續波。在圖5-3(b)與(c)中可以發現，高重複頻率 與長中心波長都集中於相同的位置，即高逆向偏壓與高增益電流處。這兩者的關係可 由，半導體內的色散現象來解釋，在一般半導體雷射的主動層多為正色散(Normal dispersion)，波長愈長則折射率愈低，而折射率又與重複頻率為倒數關係，故當雷射 光波長變長則重複頻率也變高。為了更精確地分析逆向偏壓與增益電流在被動鎖模雷 射中所產生的影響，以下我們將分別就固定增益電流與固定逆向偏壓來做進一步的探