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 討。

固定增益電流

首先將增益電流固定於 20mA，此電流略大於臨界電流，而增加逆向偏壓所量測 到的光譜與RF 頻譜變化，如圖 5-4(a)與圖 5-4(c)，透過此圖可以清楚的了解隨著逆向 偏壓的增加，光譜與RF 頻譜的發展趨勢呈現一 C 形的發展，即當一開始逆向電壓增 加時，鎖模雷射光波長先往短波長移動，RF 頻譜亦因雷射光波長變小，折射率增加，

而隨逆向偏壓持續增加。在-5V 至-6V 之間，雖然圖 5-4(a)中整體的光譜走勢是隨逆 向偏壓增加而往短波長移動，但在圖5-4(b)中光譜強度較強的波長位置卻幾乎沒有變 化，因此在此波長位置的脈衝光主導之下，在圖5-4(c)中的 RF 頻譜中，重複頻率沒 有看到明顯的移動。但逆向偏壓超過-6V 之後，RF 頻率開始隨逆向偏壓增加而增加，

頻寬也使脈衝頻率更穩定而變窄，並且脈衝中心波長開始往長波長移動，隨逆向偏壓

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增加而紅移(Red Shift)。此一紅移現象呼應先前 LI curve 中發現的量子侷限史塔克效 應，這是由於過大的電場使得能帶彎曲，如圖5-2，造成量子侷限結構(如量子井或量 子點等)內的電子與電洞能階分別往下方與上方移動，且隨著電場愈大，彎曲幅度愈 大，而使兩能階的差距愈縮小，因此在外加相當大的電場之下，其所能吸收或放射之 光波長較未加電場者來得長，即光譜中心會隨著逆向偏壓增加而往長波長移動。此外 量子侷限史塔克效應也造成吸收光譜的形狀改變，其與增益頻譜相結合後，使總輸出 的雷射光譜變得更平滑，波長分布更平均。

將此結果與自相關儀所量測的脈衝寬度做整理之結果，如圖 5-5。在圖 5-5(a)中，

中心波長隨逆向偏壓增加而減少，並在-7V 達到低點後開始增加，而光譜寬度由於在 不同逆向偏壓下，不同波長的光強度分布並非都為高斯分布，部分偏壓的光譜形狀也 很複雜，有的可能包含兩到三群波包組成，因此其光譜寬度隨逆向偏壓增加的變化幅 度相當大且幾乎無趨勢。在RF 強度的部分，如圖 5-5(b)，其重複頻率一開始隨逆向 偏壓的增加而大幅減少，但在-5V 至-6.5V 之間，其頻率僅微幅增加，變化相當不明 顯，另外由於在圖5-1 中，增益電流為 20mA 而逆向偏壓在-6V 到-8V 之間的光強度 相差相當小，因此在圖5-5(b)中，-6V 到-8V 之間的 RF 強度可以相當程度地反映 RF 頻譜的半高寬，其RF 強度隨逆向偏壓增加而增加，即表示其 RF 寬度隨逆向偏壓增 加而減少，代表其脈衝的頻率在高逆向偏壓之下愈集中愈穩定。

在圖 5-5(c)中，逆向偏壓的增加會使飽和吸收區帶走電子電洞的速度加快而縮短 回復時間，也造成總增益為正值的時間更為短暫因而讓脈衝寬度隨著逆向偏壓增加而 減少，但在增加到-7V 之後，受到量子侷限史塔克效應的影響下，脈衝寬度的下降幅 度趨緩。在時間頻寬積(TBP)方面，因 TBP 正比於脈衝寬度與光譜寬度，但在脈衝寬 度隨逆向偏壓增加而減少的幅度有限的情況下，TBP 幾乎與光譜寬度的反應相同且隨 逆向偏壓增加而略有下降的趨勢。在圖5-4(d)中，平均光強度就如同圖 5-1 所示，會 隨著逆向偏壓增加使吸收增加，平均光強度會隨之減少。用該操作點的平均光強度除

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以其重複頻率與脈衝寬度，便可計算出單一脈衝所得分得的光強度，亦可視為此脈衝 的峰值強度(Peak Power) ，如圖 5-5(d)所示，因在高逆向偏壓下的脈衝寬度與平均光 強度都改變不大，因此脈衝的峰值強度在高逆向偏壓下幾乎是持平。

固定逆向偏壓

在另一方面，我們將逆向偏壓固定於-7V，以確保吸收區域可以產生足夠的吸收 能力並產生脈衝，分析增益電流對鎖模脈衝的影響。為了讓增益電流大於臨界電流，

並且有足夠的光強度可讓儀器偵測到訊號，故增益電流由20mA 開始，然後每隔 2mA 測量一次直到40mA，其所量測到的光譜與 RF 頻譜變化，如圖 5-6。透過圖 5-6(a)可 以了解隨著增益電流的增加，整體光譜寬度增加並且往長波長發展，但增加到30mA 後，整體寬度不再增加呈現飽和狀態。在圖5-6(b)中，光譜在增益電流為 24mA 之後，

開始分裂為兩群強度相近的，隨著電流的增加，兩者的強度跟寬度都增加外，兩波包 的波峰位置都向長波長移動。但當增益電流增加到32mA 時，短波長的波包強度漸漸 高於長波長的波包，此外短波長的波包也往更短波長發展，這個結果同樣的反映在 RF 頻譜中的重複頻率上。另外值得注意的是，此高增益電流操作下，光譜中出現了 兩三個調制波包，且隨著增益電流增加而愈趨明顯。如圖 5-6(c)，在增益電流小於 32mA 時，重複頻率如同整體光譜中心隨增益電流增加紅移而頻率增高，而增益電流 大於32mA 後，由於短波長的波包強度漸漸高於長波長的波包，因此在短波長的脈衝 光比重漸增的強況下，整體光譜中心應是呈現藍移，這使得重複頻率開始緩慢往低頻 移動。

以上量測結果再加入自相關儀量測的脈衝寬度後，可整理得出圖 5-7。在圖 5-7(a) 中，光譜中心波長，在增益電流增加到32mA 前，都是明顯地紅移，而在 32mA 左右 趨緩，並且略顯藍移。光譜寬度則從臨界電流開始隨增益電流增加而顯著增加，但增

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加到32mA 後幾乎持平，變化幅度相當小。在圖 5-7(b)中的重複頻率與光譜中心波長 的變化相當相似，亦證明了兩者透過色散(Dispersion)導致的折射率變化而互相呼應。

然而RF 強度雖然也隨著增益電流增加而增加，但由於不同增益電流下的光強度相差 甚遠，因而RF 訊號增強主要應是由於光強度隨增益電流增加而增加所引起的，並非 表示其RF 頻譜的半高寬一定隨增益電流增加而變窄。

在脈衝寬度方面，如圖5-7(c)顯示，由於增益電流的增加導致光強度增強，但在 逆向偏壓不變吸收能力不變的情況下，飽和吸收區所產生的壓縮脈衝寬度的能力相對 縮小很多，因此脈衝寬度隨著增益電流的增加而增加，尤其是當增益電流大於32mA 之後，其脈衝寬度開始大幅地上升。而因 TBP 正比於光譜寬度與脈衝寬度，且因這 兩個主要的影響因素都隨增益電流增加而增加，因此TBP 亦隨之顯著增加。在圖 5-7(d) 中，平均光強度在逆向偏壓固定而使吸收區域的吸收損耗不變，且增益電流增加使增 益區有更大的輸出光強度，故平均光強度隨增益電流增加而增加。然而在脈衝光峰值 強度的變化中，在增益電流由臨界電流開始增加至32mA 為止，雖然脈衝寬度與重複 頻率都隨增益電流增加而增加，但由於平均光強度也大幅上升的關係，故脈衝峰值強 度仍維持上升的趨勢，但在32mA 之後因為平均光強度的增加量跟不上脈衝寬度的增 加幅度而呈現緩慢下降。

-3 藉由自動 和吸收區 度，(b)重

動化量測系 區的被動式 重複頻率與

系統，對一鎖 式鎖模雷射

與(c)中心波長

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鎖模雷射，其

，吸收區對 長之三維強

其共振腔長 對增益區的比

強度圖，其

長為2mm 且 比例為1:7

中黑色網狀

且含有250μ

，量測其(a 狀者代表無

μm 的飽 a)脈衝寬 無訊號。

圖5--4 共振腔長 收區對增 加到-8V 譜。

長為2mm 且 增益區的比 V 的(a)三維

且含有250 比例為1:7，

維的光譜強度

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0μm 的飽和 在增益區塊 度圖，以及

和吸收區的被 塊電流為2 及各個逆向偏

被動式鎖模 0mA 時，逆 偏壓下的(b)

模量子點雷射 逆向偏壓由

)光譜與(c)

  射，其吸 由-4V 增

RF 頻

圖5--5 共振腔長 收區對增 寬度、(b 度與脈衝

長為2mm 且 增益區的比

b)重複頻率 衝光峰值強

且含有250 比例為1:7，

率、RF 強度 強度隨逆向偏

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0μm 的飽和 在增益區塊 度、(c)脈衝寬

偏壓增加下

和吸收區的被 塊電流為2

寬度、時間 下的趨勢。

被動式鎖模 0mA 時的(

間頻寬積(TB

模量子點雷射 (a)中心波長

BP)、(d)平

射，其吸 長、光譜 平均光強

圖5--6 共振腔長 收區對增 40mA 的

長為2mm 且 增益區的比 的(a)三維的

且含有250 比例為1:7，

的光譜強度圖

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0μm 的飽和 在逆向偏壓 圖，以及各

和吸收區的被 壓為-7V 時 各個增益電流

被動式鎖模 時，增益電流

流下的(b)光

模量子點雷射 流由20mA 光譜與(c)RF

射，其吸 增加到 F 頻譜。

圖5--7 共振腔長 收區對增 (b)重複頻 值強度隨

長為2mm 且 增益區的比

頻率、RF 強 隨逆向偏壓

且含有250 比例為1:7，

強度、(c)脈 壓增加下的趨

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0μm 的飽和 在逆向偏壓 脈衝寬度、時

趨勢。

和吸收區的被 壓為-7V 時 時間頻寬積

被動式鎖模 時的(a)中心波

被動式鎖模 時的(a)中心波