第五章 結果與討論 (Results and Discussion)
在表 5- 2，我們分別列出了共振腔方向平行量子線的量子線雷射之起始電流 大小、共振腔方向垂直量子線的量子線雷射之起始電流大小、以及兩者之比值，
5.3 變溫雷射發光頻譜
（Result of Temperature dependent Lasing spectrum）
5.3.1 溫度 20K 至 120K 之雷射發光頻譜
圖 5-8(a)~(e)為不同溫度下，光激發光頻譜與不同共振腔方向之雷射發光波 長之對照圖，量測溫度範圍為 20K 至 120K，由圖可看出共振腔方向垂直量子線 的量子線雷射其發光波長總是比共振腔方向平行量子線的量子線雷射的波長還 長，兩者波長相距約有 60nm 以上，待溫度上升後，甚至還相距 100nm 以上，顯 示量子線結構之非等向性極化效應的確對於量子線雷射發光特性有極大的影響。
5.3.2 雷射發光波長與溫度之關係(⊥QWrs)
對共振腔方向垂直量子線的量子線雷射其發光波長與溫度的關係做圖(見圖 5-9)，我們發現當溫度由 20K 上升至 140K 時，雷射發光波長為同一能態發光，
在此溫度範圍波長隨著溫度上升而略為增加，此效應乃是來自於材料能隙會隨溫 度上升而變小，因而造成同一能態其發光波長隨溫度上升而增加，而其波長隨溫 度增加的速率約為：0.27 nm/℃；然而在溫度範圍為 140K 至 180K 之間，我們由 圖 5-9 可清楚看見波長在此範圍有個非常明顯地不連續轉變，波長隨溫度變化的 速率在此為：-1.69 nm/℃ (我們制定：溫度範圍 A 為溫度在 20K 與 140K 之間；
溫度範圍 B 為溫度在 140K 與 180K 之間；溫度範圍 C 為溫度在 180K 以上的區 域) ，其大小為溫度範圍 A 的 6.3 倍左右，且為一負值。
在 5.2 節中我們也曾提到起始電流大小之比值隨溫度變化的關係、共振腔垂 直量子線之雷射其To隨溫度變化的關係、以及其變溫L-I 曲線，在溫度位於 140K 與 180K之間都有明顯的變化，現在又發現對於共振腔垂直量子線之雷射其發光 波長隨溫度的變化在 140K與 180K之間有個極明顯地不連續轉變，顯示這背後有 某種物理現象存在，為了能更仔細地去分析在溫度位於 140K與 180K之間到底發 生了什麼事，我們決定量測溫度範圍為 140K至 200K之間，共振腔垂直量子線之 雷射其雷射發光頻譜與電流變化之關係，而其結果與討論見 5.3.3 節。
5.3.3 溫度 140K 至 200K 之雷射發光頻譜(⊥QWrs) A. 不同溫度下，注入不同電流時，雷射之發光頻譜
目的為了量測共振腔垂直量子線之雷射其溫度範圍在 140K 至 200K 之間的 雷射發光頻譜與電流變化之關係。因此我們量測的溫度範圍為 140K 至 200K，
間隔 20K 做一次量測，量測結果如圖 5-10 至圖 5-13 所示；而溫度 20K 至 120K 共振腔垂直量子線之雷射的發光頻譜如圖 5-8，其發光波長約在 1700nm 附近。
由圖 5-10 至圖 5-13，我們可觀查出一些現象，在溫度介於 140K 至 180K 之 間，隨著注入雷射元件之電流的增加，在雷射發光頻譜中，同時會有兩個峰值出 現，其中一個峰值為長波長，另一峰值為短波長，長波長這個峰值，和溫度低於
120K 時雷射之發光波長應屬相同峰值，即為同一能態所發出的光(波長隨溫度上 升而略為增加，其原因是因能隙隨溫度上升而減小)。
而在溫度 200K 時，即使增加注入電流，雷射發光頻譜仍然只有一個峰值出 現，即為短波長那個峰值。為何溫度在低於 140K 時，雷射發光頻譜主要波長為 長波長；在溫度介於 140K 至 180K 之間，卻有兩個峰值同時存在，一為長波長，
一為短波長；而當溫度大於等於 200K 時，雷射發光頻譜主要波長為卻變成短波 長﹖
我們認為這主要的原因應該是因為我們所成長的量子線雷射試片，其量子線 之大小與形狀，並不是很均勻有關。在溫度小於 140K 時，主要峰值落在長波長，
此為量子線雷射之基態發光波長；在溫度介於 140K 至 180K 之間，為量子線雷 射之過度區域，在此溫度範圍，量子線之基態發光波長與激發態發光波長同時存 在，因此我們由圖中可看見兩個峰值，一為長波長：量子線之基態發光波長；一 為短波長：量子線之激發態發光波長；當溫度大於等於 200K 時，雷射發光頻譜 主要波長已完全轉換為短波長，即完全由量子線之基態發光波長轉換為激發態發 光波長。其轉換過程我們即將在下面做更詳盡的探討。
(a) T=140K
當溫度升高至 140K後，我們仔細觀察共振腔垂直量子線之量子線雷射其雷 射發光頻譜與電流之關係，發現電流在I=2.6Ith時，雷射發光頻譜已不同於溫度低 於 120K時那麼單純了，此時同時有兩個峰值出現在發光頻譜中，其位置分別為 1735nm與 1696nm；當電流加大至I=4.5Ith時，位於 1696nm這個峰值強度持續增 強，當升高至I=6.0Ith時，位於 1696nm這個峰值強度已經遠遠高於位於 1735nm 這個峰值之強度，位於 1735nm這個峰值，和溫度低於 120K時雷射之發光波長，
應屬於同一個，為同一能態所發出的光。
當溫度上升至 140K，由於特徵溫度的關係使得要達到產生雷射光所需的起 始電流將增加，即注入雷射元件中的載子必須增加才能使雷射發光，一開始電流 剛達到起始電流時，主要發光峰值還是落在 1735nm：量子線之基態發光波長；
隨著電流繼續增加，位於 1696nm 的峰值：量子線之激發態發光波長，其強度也 跟著增加。有以上這樣的變化乃是因為我們所成長的量子線並不是很均勻，使得 有些量子線的增益大，有些小。在溫度小於 140K 時，所有的量子線在注入雷射 元件之電流大於起始電流時，皆可克服損失而發光，此即為量子線之基態發光；
當溫度為 140K 時，增益大的量子線依舊能克服損失而發光，且仍然為量子線之 基態發光，然而對於增益較小的量子線而言，隨著電子不斷地注入，其量子線的 基態能階即使被電子填滿了，尚無法克服損失，發出雷射光，但繼續注入電子，
電子將慢慢填入其激發態能階，最後終將克服損失，這就是為什麼量子線雷射之 激發態發光峰值：1696nm，隨著電流上升而冒起；對於增益大的量子線，由於 在此溫度下，增益接近飽和，使得注入更多的電子也很難使其峰值強度增加，加 上其一開始就先克服損失，產生雷射，其增益曲線就此定在 1735nm；而對於那 些增益較小的量子線，由於是激發態發光，因此較基態能階具有更多的電子能 態，隨著電子不斷地注入，產生發光性復合的電子隨之增加，這也是為什麼後來 隨著注入電流增加，激發態發光峰值強度還遠高於基態發光峰值強度。
(b) T=160K
在此溫度下(見圖 5-11)，電流升至大於起始電流附近時，一開始冒起的峰值 主要是激發態發光峰值，而不再是基態發光峰值，由於隨著溫度上升，雷射的增 益曲線將隨之加寬(gain spectrum broadening)，使得在原本基態發光之量子線要克 服損失的話，必須注入更多更多的電子，在I=1.1Ith，I=1.7Ith，以及I=2.1Ith時，我 們還是可以觀察到在 1740nm有一個小小的峰值，此峰值即為基態發光峰值，但
此時在基態發光之量子線尚未克服損失而產生雷射，所看到的光強度應該是來自 於電子之自發性發光(spontaneous emission)，大部分發出的雷射光皆為量子線之 激發態發光。
(c) T=180K
待溫度升高到 180K時，在I=1.04Ith，I=1.9Ith處所看到峰值皆只有一個而已，
皆為短波長的量子線之激發態發光。同上，隨著溫度上升，雷射的增益曲線將隨 之加寬，使得原本在基態發光之量子線要克服損失的話，必須注入更多更多的電 子，在I=2.4Ith，I=4.4Ith，基態發光峰值再度出現，但其強度與短波長的激發態發 光強度相比依舊相差甚多，此基態發光峰值應該仍舊還是來自於電子之自發性發 光。
(d) T=200K
溫度升高到 200K 時，隨著電流增加基態發光峰值，已不再出現，峰值已完 全由基態發光峰值轉換至激發態發光峰值，這是因為雷射的增益曲線隨溫度上升 而加寬，原本在基態發光之量子線就算其基態能階已被填滿，卻還是不足以克服 損失產生雷射光，然而隨著注入電流增加，電子將慢慢填入其激發態能階，最後 終將克服損失，因而使得峰值完全轉換至激發態發光峰值。