第四章 Y-型光耦合環型半導體輸出雷射特性量測
4.1 量測系統介紹
整套量測系統由光功率-電流量測，光譜量測，遠場量測整合而成，過去在 量測 LI 與光譜的轉換時必須將感測器和通用介面匯流排(GPIB)一起移動，造成 量測時光的入射角度有些許偏差，如今我們將環型半導體雷射晶片發出的光藉由 兩個透鏡聚焦後，再通過兩個三角形稜鏡所組合的方形稜鏡，透射至三個方向不 同量測系統的偵測器(如圖 4.1)，好處在於將雷射晶片放置探針座後，整套量測 系統不需做移動，能減少實驗誤差，也能使光功率電壓光譜和遠場一起展示出來，
方便我們同時比對每項數據的關係。
圖 4.1 量測系統架構圖
CCD3000
高功率脈衝產生
數位儲存示波器
L-I SPECTRUM
FAR FIELD
GPIB
GPIB
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4.1-1 L-I 量測系統
藉由量測雷射輸出的特性曲線(L-I 圖)可以得到半導體雷射中臨界電流，光 功率-電流量測系統的架構(如圖 4.2)，將製備完成的環型雷射晶片架設在探針 座上(如圖 4.3)，利用脈衝產生器(型號：HP8114A)作為環型雷射驅動裝置，提 供脈衝電壓經由探針將電流注入雷射晶片，環型半導體雷射晶片發出的光藉由兩 個透鏡聚焦後，從方形稜鏡透射至高速光電探測器(818-BB-21 高速矽光學檢測 器)(表 4.1)中心點，確保光源射入。將電壓轉至欲測最大電壓值，觀察示波器(型 號：Tektronix TDS2024)旋轉垂直衰減旋鈕(VOLTS/DIV)(如圖 4.4)，選擇螢幕 上縱向尺度每格所對應的電壓，使波型完整保留在視窗裡，藉由通用介面匯流排 (GPIB)將測量系統與電腦連接，再利用 Labview 程式控制脈衝產生器和示波器，
並擷取示波器量測的數據，最後使用繪圖軟體(Origin)繪出 L-I 圖。
。
圖 4.2 光功率-電流量測系統架構
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圖 4.3 環型雷射晶片探針座
表 4.1 高速光電探測器規格
圖 4.4 示波器顯示屏
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4.1-2 光譜量測系統
圖 4.5 為光譜量測系統圖，利用 HP8114A 脈衝產生器驅動雷射經由探針 直接接觸原件的電極(p-metal)，環形半導體雷射晶片發出的光藉由兩個透鏡聚 焦後，從方形稜鏡透射聚焦在多模光纖中心點，透過多模光纖將光訊號傳送至光 譜分析儀(型號：Triax550)(如圖 4.6)，再藉由光譜儀專用電腦軟體(SpextraMax) 擷取光譜分析的資料，再將這些光譜分析的 data 使用繪圖軟體(Origin)繪出光 譜圖並整理數據後分析晶片雷射性質，當我們開始量測環型雷射光譜前，我們會 先使用氦氖雷射來校準光譜儀，光譜儀在長時間沒使用的情況下，有時候裡面鏡 面角度會有些改變導致量出來的波長有些許誤差，因此每次量測前必須使用氦氖 雷射做校準，確保每次量出來的數據都是準確的(圖 4.7)。
圖 4.5 光譜量測架構圖
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圖 4.6 光譜分析儀
圖 4.7 氦氖雷射
4.1-3 光束剖面分析系統
雷射光具有高強度與高指向性，即雷射光束在一個特定方向傳播，光功率集 中在幾個平方毫米的小區域上。激光光束與高斯光束很接近，高斯光束光強的横 剖面可由高斯方程描述，在傳播方向上其寬度會發生改變。光束很寬時尺寸改變
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很小，而緊聚焦光束的尺寸則變化很快。我們將環形雷射晶片的光透過光束分析 相機(Beamage-3.0)與電腦連接，光束分析相機光譜範圍 350-1150nm 最小可測光 束 55 微米，因此在未來對紅外光的實驗中也能利用此相機對紅外光光束做分析，
電腦裡的直觀軟體介面，利用光束三維顯示屏顯示出光束的實際形狀(圖 4.8)，
可輕鬆對圖像進行縮放移動和旋轉。也可以透過 XY 顯示屏繪製沿瞄準器的光束 橫截面圖，對其進行分析。
圖 4.8 光束三維顯示
4.2 環形雷射實驗量測
本實驗測量的樣本脊狀波導蝕刻高度約為1.1μm，接著將會針對直線波導端 和非直線波導端的光譜特性、L-I 特性曲線的測量結果作討論。圖 4.8 為環型單 輸出雷射晶片模型及相關尺寸代號，其中𝐿1為波導端長度，𝐿2為非波導端長度，
R 為環型共振腔直徑。我們把晶片透過波導端與非波導端一組分別標為波導端置 於右方時，上方為 A、C 與下方為 B、D，方便未來做雙輸出時，波導端與非波導 端標記，採取統一性的編號如圖 4.10。
R
𝐋𝟐
𝐋𝟏
𝟏. 𝟏𝛍𝐦
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圖 4.9 環型雷射晶片模型圖
我 們 拿 同 一 片 雷 射 晶 片 ， 將 非 波 導 端 長 度 逐 次 切 短 ， Sample(a) 、 Sample(b) 、Sample(c)三個的環型共振腔直徑都為500μm、波導端長度為750μm、
但在非波導端長度的部分分別為1000μm、750μm、375μm的單輸出波導雷射 (如圖 4.10)。從 L-I 圖(如圖 4.10)中可以發現波導端與非波導端的雷射輸出特 性曲線在形狀上呈現相似，根據推斷此現象及有可能為四波混頻的共軛反射機制 造成在非波導端產生一與波導端相對應的直線型波導，使其兩端輸出曲線形狀類 似。
Sample(a) sample(b)
Sample(c)
圖 4.10 三個樣品的尺寸模型
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Sample(a)L-I 圖 Sample(b)L-I 圖
Sample(c)L-I 圖
圖 4.11 Sample 的 L-I 輸出特性曲線圖
透過下圖 4.12 可以看到非波導端實質不具有硬體共振腔，但大部份光子仍 因光學克爾效應，藉著場的功率調製折射率，傳播於介質的強勁光束會改變介質 折射率，越接近光束中間的區域折射率越高，由於介質折射率被改變使光束在介 質內產生自聚焦的效果，令非波導端也會有一定的雷射功率輸出，在加上波導端 鏡面反射光子的加成，最後形成此輸出特性曲線的結果。
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圖 4.12 非波導端的光子自聚焦效果
設一個角頻率為ω的光進入具有三階非線性特性的介質時，其對應的磁化率變化 量為∆𝑥，可表示為：
𝜖0∆𝑥 =𝑃𝑁𝐿(𝜔)
𝐸(𝜔) = 3𝑥(3)|𝐸(𝜔)|2 = 6𝑥(3)𝜂𝐼
上述中𝑃𝑁𝐿(𝜔)為光進入非線性介質所對應的偏振強度，3𝑥(3)|𝐸(𝜔)|2𝐸(𝜔)就 是將單道光Re{𝐸(𝜔)exp(𝜔𝑡)}代入𝑃𝑁𝐿 = 4𝑥(3)𝜀3之中。𝜂為阻抗，𝐼 =|𝐸(𝜔)|2𝐼
⁄2𝜂 為光波的初始強度，根據上式可以得知非線性介質所對應的折射率𝑛變化跟起始 光照強度的關係式，因此由𝑛2 = 1 + 𝑥，∆𝑛 = (𝜕𝑛 𝜕𝑥⁄ )∆𝑥 = ∆𝑥 2𝑛⁄ 可以得出：
∆𝑛 = 3𝜂
𝜖0𝑛𝑥(3)𝐼 = 𝑛2𝐼
由此可知，折射率變化跟光學強度成正比，總體折射率變化可以寫為光學強 度𝐼的線性函數：
𝑛(𝐼) = 𝑛 + 𝑛2𝐼，𝑛2 = 3𝜂 𝑛2𝜖0𝑥3
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大多數介質的相當微小，一般玻璃的大約為 10-20 m2 W-1。因此，光波的輻射度至 少必須為 1 GW cm-2才能使得折射率通過交流克爾效應產生顯著變化。
與輻射度有關的折射率是一種非常重要的三次過程，又分為空間調製與時間調製 兩種過程。空間調製過程可以改變光束的傳播。時間調製可以改變光波的波幅與 相位結構。
藉著空間調製折射率，傳播於介質的強勁光束會改變這介質的折射率，這改 變的圖樣模仿光束的橫向輻照度圖樣。例如，高斯光束會造成高斯折射率剖面，
類似漸變折射率透鏡（gradient-index lens）所產生的效應；越接近光束的中 間區域，折射率越高；越接近邊緣區域，折射率越低。由於介質折射率被改變，
使得光束在介質內自動聚焦，這現象稱為自聚焦（self-focus）。
由於光束的自聚焦，峰值輻照度會增加，因此又更加自聚焦。假若這效應贏過了 對抗的衍射，則自聚焦會成為主導物理機制，光束會變得越來越狹窄，這時，假 若操作不當，則會造成光束塌縮災難，從而損毀介質。
圖4.13環型共振腔之光孤子波導激發示意
我們將環型雷射整體縮小看至波導端與非波導端和環型共振腔的交界處，(圖
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反轉，產生雷射光輸出，在波導端的部分，共振腔長度沒有改變，透過圖4.14 可以發現，波導端隨著非波導端的閾值電流變化，產生相似的趨勢，我們推測在 非波導端因克爾效應產生的自聚焦光束，透射至直線型波導，非波導端光子類似 於泵浦刺激波導端光子放大效果，最終達到一個平衡，使波導端閾值電流產生改 變。
圖 4.14 閾值電流和輸出共振腔長度關係圖
我們再一次找尋一片晶片，一樣在非波導端的部分做切割(圖 4.15)，比較 切割前與切割後的 L-I 圖形。
圖 4.15sample(d) 、sample(d)尺寸模型
1250𝝁𝒎 125𝟎𝝁𝒎
1000𝝁𝒎
A
B C
D
1000𝝁𝒎 125𝟎𝝁𝒎
100𝟎𝝁𝒎
A
B C
D
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透過 L-I 圖型分析(圖 4.16)後， sample(d)在非波導端的部分，能量一直 沒有上升，經由前面推論在非波導端比之前更長的情況下(1250um)，光孤子波導 在傳播中損失會更大，導致能量一直無法上升，而波導端達到居量反轉後，開始 持續激發非波導端，但始終無法達成平衡，因此在波導端能量也呈現較弱的狀 態。
當非波導端縮短至 1000um 後，在這裡一樣則是波導端先行達到居量反轉，激發 非波導端達至居量反轉產生雷射，並在最終達成平衡兩端都出現雷射的輸出。
sample(a) 、 sample(b) 、 sample(c)和 sample(d) 、sample(e) ，前三個晶 片在非波導端越切越短後，由非波導端激發波導端達成平衡，而後兩個晶片則是 非波導端越切越短後，由波導端激發非波導端達成平衡，由這兩個數據可發現，
無論波導端或是非波導端，先開始產生居輛反轉後都會藉由端面激發另一端，直 到最後達成平衡兩端都各自放射出雷射。
圖 4.16sample(d) 、sample(d)L-I 輸出圖型
將 Sample(a) 、 Sample(b) 、Sample(c)經過光譜分析後可以發現到非波
導端共振腔長度越短，縱模模距會越來越大，透過公式 2-20
2
2nL
，𝑛̅49
根據之前學長論文將𝑛̅=3.2 代入，當我們環型雷射達到一定電流，在 Y 型耦和輸 出與環型共振腔交界處類似一端面產生四波混頻，此交界端面到晶片邊緣為直線 共振腔長度 L，而非波導共振腔則為交界端面到非波導端晶片邊緣，將量測出來 的光譜圖形使用 Origin 程式直接做微分，可以算出共振腔長度與模距的關係圖 (圖 4.18)，發現估計值與量測值有一些落差，我們判斷可能因為溫度或是切割 時產生的一些切面瑕疵，造成數據上的誤差，但透過兩條線的趨勢，還是可以判 斷與我們所假設的相同，當實際值都加入這些誤差與瑕疵後，每次切完後的縱模 模距差異，與我們估計值是差不多的。
圖 4.17 非波導端三個樣品的光譜分析
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圖 4.18 非波導端縱模模距與非波導端長度關係圖
下圖為三個樣品波導端的光譜分析圖，可以看到三組樣品的波導端長度都為 固定值，縱模模距變化也不大，透過波導端與非波導端的光譜，也發現當長度為 越切越短後，光譜越往左邊 shift，根據前面推測當非波導端越切越短，非波導 端提前波導端先達到居輛反轉的狀態，因此激發波導端，使其達成平衡。
下圖為三個樣品波導端的光譜分析圖，可以看到三組樣品的波導端長度都為 固定值，縱模模距變化也不大，透過波導端與非波導端的光譜，也發現當長度為 越切越短後，光譜越往左邊 shift，根據前面推測當非波導端越切越短，非波導 端提前波導端先達到居輛反轉的狀態，因此激發波導端，使其達成平衡。