量子點雷射特性

我們把四種不同量子點結構的雷射分別劈裂成 5 種不同長度(1000 m 、1500 m 、 2000 m 、 2500 m 和 3000 m )，對於相同的半導體雷射的磊晶結構，分別量測不同長 度雷射的L I V及頻譜(Spectrum)，我們可以從起始電流(I )及斜率效率(_th _s)，求得 微分量子效率(differential quantum efficiency, _d)，並取其倒數對不同的雷射共

振腔長度作圖，圖 4-1-1，此直線在 L=0 的截距即為 1/_i，而此直線的斜率即為

 

/ ln(1 / )

i i R

  ，其中R為劈裂鏡面的反射率。藉由這種參數分析，我們可以得到雷射

結構的αi以及ηi，進而判斷此半導體雷射磊晶結構頇改善的方向。以下對於 Lm4881(五 層 undoped)做分析計算，Lm4904(三層 undoped)、Lm4903(七層 undoped)和 Lm4917(五 層 p-doped)的資料於附錄 A 中。

40

Lm4881 五層 undoped 量子點雷射:

由圖 4-1-2 至圖 4-1-5，我們可以知道雷射的起始電流和斜率效率，圖 4-1-6 至圖 4-1-9 可以知道共振腔長度 1000μm 的雷射在第一激發態(1180nm)，在 1500μm 以上的 共振腔長度皆為基態(1280nm)，從這些資料我們可以計算出雷射的外部量子效率，外部 量子效率倒數對共振腔長度做圖，圖 4-1-10，從擬合的直線和外部量子效率倒數的截距，

我們可以求出內部效率_i為 0.83，擬合直線的斜率可以求出內部損耗_i為3.8 cm^1，接 著由

1 2

1 1

ln( )

i 2

G  L R R 可以得到共振腔長度為 1500m，2000m，2500m及 3000m 的增益分別為 10.3 cm^-1，8.4cm^-1，7.2cm^-1及 6.5 cm^-1。

接著利用模態增益對起始電流密度作圖，擬合不同共振腔長度的模態增益，可以得 到雷射的飽和增益和透明電流密度。圖 4-1-11 和 4-1-12，為共振腔寬度 10m和 20m 的飽和增益圖，五層量子點的飽和增益約為12.3 cm^1，每一層的飽和增益相當於 2.46 cm^1，小於 Yuian Cao, Tao Yang 等人在 2008 IEEE PHOTONIC LETTERS ^[22]所提出 的每層飽和增益為3.5cm^1。

圖 4-1-1 1/_d對共振腔長度L做圖

41 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW) 10us/1ms (duty cycle=1%)

L1000um 10us/1ms (duty cycle=1%)

L1000um 10us/1ms (duty cycle=1%)

L1000um L1500um L2000um L2500um L3000um

1150 1200 1250 1300

-60

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Current (mA)

1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 -60

Ith L1000um

L1500um L2000um L2500um L3000um

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 1320 -55

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

圖 4-1-2 L-I-V 5μm 圖 4-1-3 L-I-V 10μm

圖 4-1-4 L-I-V 20μm 圖 4-1-5 L-I-V 50μm

圖 4-1-6 Spectrum 5μm 圖 4-1-7 Spectrum 10μm

圖 4-1-8 Spectrum 20μm 圖 4-1-9 Spectrum 50μm

42

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0.0

10us/1ms (duty cycle=1%)

05um 10um 20um 50um

1/QED

Cavity length (um)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Sat. gain 12.1cm^-1 Lm4881_QDLD_5-layers

W=10um modal gain gain curve fitting

modal gain (cm)

Threshold current density(A/cm²)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

modal gain gain curve fitting

modal gain (cm-1)

Threshold current density(A/cm²) Sat. gain 12.5cm^-1

接著對五層量子點的基態(GS)和激發態(ES)做 10℃至 70℃變溫量測， 圖 4-1-13

43 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V) 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW)

280 290 300 310 320 330 340 350

0

L = 2500um, Ground State 10us/1ms (duty cycle=1%)

To=59k L = 2500um, Ground State 10us/1ms (duty cycle=1%)

Peak Wavelength (nm)

Temperature (C) 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V) 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW)

280 290 300 310 320 330 340 350

0

L = 1000um, Excited State 10us/1ms (duty cycle=1%)

To=71k 10us/1ms (duty cycle=1%)

Peak Wavelength (nm)

Temperature (C)

44

我們將全部的雷射資料用表格整理，如表 4-1-1，當量子點層數增加時，因為能態 密度上升，基態載子可以發生復合的數量增加，所以基態飽和增益會隨著量子點成層 增加而上升。當基態的能態密度提升，可以填的載子較多，當溫度上升時，基態因為 thermally escape 而損失的載子對基態增益影響較小，所以不需要大量的增加電流來 補充損失的載子，因此增加量子點層數會使雷射對溫度的敏感度降低，特徵溫度上升。

如 2.7 節所述，p-doping 可以有效的降低 thermally escape，所以可以增加基態的飽 和增益和特徵溫度。

表 4-1-2 說明當量子點層數固定時，共振腔長度越長，其特徵溫度越大，對溫度 敏感性越低，其原因為當共振腔越長時，鏡面損耗越低，基態所需要的增益較小，所 以 thermally escape 損失的載子並不會對基態增益造成嚴重的影響，所以不需要增加 大量的電流來補充載子增加增益。在表 4-1-2 中也觀察到激發態的特徵溫度會比基態 高，原因為激發態的增益較基態大，當 thermally escape 發生時，激發態所損失的載 子並不會讓原本激發態的增益下降很多，所以不需要增加大量的電流來補充載子增加 增益，所以對溫度的敏感性較基態低，所以激發態的特徵溫度較基態高。

Sample 2500 m (To) Sat. Gain

Lm4904(3-layers) 53K 8.3 cm^-1 Lm4881(5-layers) 59K 12.5 cm^-1 Lm4917(p-doped 5-layers) 82K 13.6 cm^-1 Lm4903(7-layers) 64K 15.5 cm^-1

表 4-1-1 不同層數 G^sat & T0比較表

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T⁰ 1000 m 1500 m 2000 m 2500 m 3000 m

Lm4881(5-layers) 71k(ES) 45K -- 59K 66K

Lm4903(7-layers) 49K 51K 58K 64K 67K