第二章 理論基礎
2.1.3 量子點的能階結構
量子點所具有的能階結構( bound state )與其大小、覆蓋層( capping layer )能障高 度與厚度…等有極大的關係，在 PL 中一般可以看到基態( GS )、激發態( ES )與 wetting layer ( WL )的訊號，較高的激發態則不一定落在 bound state 之中，而對應的 飽 和 強 度 則與 量 子 點密 度 和 DOS 有 關 。由 經 驗 與 理論 模 型 中[6]， 以 圓 盤 狀
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( lens-shaped )量子點為例，基態( n = 0, l = 0 )能量取決於量子點的高度，加上電子自 旋，基態的簡併數( degeneracy )為 2；激發態( n = 0, l = +1 或-1 )能量對應於橫向尺度，
簡併數為 4。一般基態與激發態的能量差在 40 ~ 70 meV 左右，受限於量子點均質與 不均勻分布( homogeneous and inhomogeneous broadening )，整體量子點的能態密度分 佈會變低變寬，如圖 2-2所示，DOS 可表示成：
(2-3)
為基態能量， 為激發態能量， 為量子點面密度(約 E10 ~ E11 / cm2 )， 為 homogeneous and inhomogeneous broadening 造成量子點能量分佈的半高寬。圖 2-3為 量子點光激發光( Photoluminescence, PL )強度對能量做圖，圖中所顯示的數個波鋒，
分別為 QD0 為基態、QD1 為激發態、QD2 為第二激發態、QW 為 wetting layer、GaAs 為基板的訊號，低激發強度時先看到 QD0 的訊號，而隨著增加光激發的強度，其它 訊號跟著慢慢出現。
為了將波長可調外腔式半導體雷射應用於各項科學領域，像是應用在 OCT 之寬 頻式等效寬頻光源，以及都會區域網路的通訊光源( 1310 nm )與生醫光源中兼顧解析 度與穿透深度的波段( 1.1 um ~ 1.3 um )，因此理想的調制範圍愈寬廣越好以增加其應 用性。而外腔式雷射的可調制波長範圍主要受到所使用雷射種類本身的光電特性影 響。
Eg Ee
Ef
圖 2-2 量子點 PL 強度與能量作圖 圖 2-3 量子點 PL 強度與能量作圖
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近年來，隨著量子點結構的發展，量子井(QW)與量子點(QDs)半導體雷射已逐漸 地應用於外腔式結構以做為單模操作且具窄線寬的可調光源[3-4,25-28]。與量子井雷 射相比下，量子點雷射由於其本身較低的能態密度導致較低的飽和增益，亦即量子點 雷射擁有較低的臨界電流密度，使之在應用上為一個很大的優勢；另外，由於受到均 勻與非均勻寬化效應( homogeneous / inhomogeneous spectral broadening )作用下，其呈 現的頻譜較為寬廣，使之應用在連續調變波段的外腔式雷射上變的可行。以上兩大特 點使量子點雷射應用在波長可調變外腔式雷射的波長調制範圍得以變得寬廣，並同時 享有極低的臨界電流密度[25-26]。
本實驗選擇的半導體量子點雷射是以自聚式成長( self-assembled growth )量子點 為主動區，由於量子點的大小形狀以及成分組成呈現相當寬廣的分佈，加上量子點本 身的密度亦受到成長條件的限制而相當有限( 1E10 ~ 1E11 cm-2 )，因此以量子點作為 半導體雷射的增益介質( gain medium )，其材料增益偏離理論的預測而呈現相當低的 飽和增益( saturation gain )，解決方式為堆疊多層來提升元件操作所需要的光模增益 ( optical modal gain )。
雖然量子點主動區的飽和增益相當有限，但其增益頻譜( gain spectral )卻相當的 寬廣，為充分運用其寬廣的頻譜於可調外腔式雷射上，使其可調制的波長更為寬廣，
我們選定三種量子點的中心波長，每一中心波長的量子點堆疊數層，以確保特定量子 點波長的基態飽和增益是足夠的，利用改變覆蓋於 InAs QDs 上方之 InGaAs QW 覆蓋 層( capping layer )的厚度來調變各層量子點的中心波長[29]，稱之為啁啾式堆疊量子 點雷射( Chirped-Multilayer Quantum Dot Laser Diode , CMQD LD )。
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