鏡面鍍膜

為了使共振腔內光子密度增加和起始電流下降，我們對雷射做鏡面鍍膜，鍍膜原理 和製程如 2.8 節和 3.3 節所述，圖 4-2-1 和 4-2-2 為五層量子點鏡面鍍膜前後的 L-I-V 圖，圖中可以明顯看到 I-V 曲線並沒有改變，即鏡面鍍膜並不會改變雷射二極體的電性 表現，從鍍膜後的 L-I 曲線觀察到斜率效率較鍍膜前的斜率效率增加，從斜率效率的變 化我們可以計算出鏡面鍍膜後的反射率，利用式(2.28)，可以計算出R_coating約 94%。接 著對鍍膜後的雷射晶片做變溫量測，圖 4-2-3 與圖 4-2-4 為鍍膜後變溫 L-I-V 圖，圖 4-1-13 與圖 4-1-14 為鍍膜前的 L-I-V 圖，鍍膜後的起始電流隨溫度變化較少且斜率效 率隨溫度上升下降幅度較小，鍍膜後的特徵溫度為 66K 相較於鍍膜前 59K 增加約 11%。

特徵溫度增加原因和共振腔增長特增溫度增加一樣，因為鏡面損耗變小，所需要的增益 變小，因此 thermally escape 影響增益的程度變小，所以不需要增加大量電流來補充 損失的載子，因此有較大的特徵溫度。

表 4-1-2 不同共振腔長度 T⁰比較表

46 W=10um,20^oC

L=1500um W=20um,20^oC

L=1500um 10us/1ms (duty cycle=1%)

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

Power (mW)

47

280 290 300 310 320 330 340 350

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Lm4881_QDLD_5-layers_Coating L = 2500um, Ground State 10us/1ms (duty cycle=1%)

To=66k

ln(Jth) (A/cm2)

Temperature (K)

10um 20um 50um

4.3 Relative Intensity Noise :

半導體雷射操作在高頻時必頇滿足: 1.短共振腔長度。 2.共振腔內高光子密度。 3.

微分增益高。雷射鏡面鍍膜可以讓鏡面損耗變小，提高共振腔內光子密度，也可以在短 共振腔時維持基態雷射。我們將雷射晶片鍍膜後，量測基態雷射的 RIN，藉由式(2.45) 擬合量測 RIN 的圖形，從擬合的參數我們可以得到 resonance frequency( f )和 damping _R

factor( )， 對 f_R² 做圖的斜率可以求出 K-factor， f 對_R P 作圖斜率可以求出 D-factor，從 K-factor 和式(2.46)可以預測量子點雷射最高可操作頻率( f_max)，

D-factor 和式(2.48)可以算出雷射的微分增益(dg

dn )。K-factor 和 D-factor 是討論雷 射動態特性的重要參數，藉由這兩個參數可以知道雷射動態特性的表現如何，磊晶結構 如何改善才能讓雷射操做到更高的頻率等等，下面是四種不同主動層結構 RIN 的討論分 析。

圖 4-2-5 鍍膜後 GS T⁰

48

D= 1.1GHz/mW^1/2

Resonance frequency (GHz)

Power^1/2 (mW^1/2)

(Resonance frequency)² (GHz)²

QDLD 5-layers Ith =35mA

49

我們將不同層數量子點和不同長度共振腔所擬合得到的資料整理成下表，(Un)代表 undoped 的雷射，(P)代表 p-doped 的雷射，從表 4-3-2 和圖 4-3-4，可以知道dg dn/ 在 固定共振腔長度下隨著量子點層數增加或 p-doped 而增加，其原因為當量子點層數增加 時，能態密度也會隨著增加，主動層內可以復合的載子數目變多，所以dg dn/ 會隨著量 子點層數增加而增加。P-doped 雷射晶片有較高dg dn/ 的原因是 p-doping 理論上只頇注 入電子就可以發生復合產生光子，所以會有較大的微分增益。另外我們也觀察到dg dn/ 在固定量子點層數下隨著共振腔變短而下降，原因為共振腔變短時，雷射在操作時的起 始電流會較大，如圖 4-1-11 和 4-1-12，圖中紅線的切線斜率正比於微分增益，共振腔 變短時，操作的起始電流密度會變大，雷射會越接近飽和增益，擬合曲線的切線斜率會 逐漸變小，所以雷射的dg dn/ 會隨著共振腔變短而降低。

dg

dn (10^15 cm²) 3-layer(Un) 5-layer(Un) 5-layer(P) 7-layer(Un)

1500μm 0.75 1.55 2.12 1.71

1200μm 0.64 1.15 1.23

1000μm 0.97 1.10 1.01

800μm 0.85 0.76

表 4-3-2 量子點層數與不同共振腔長度的微分增益

50

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

dg/dn (10^-15 cm^2)

Cavity Length (um) 3-layers undoped

5-layers undoped 5-layers p-doped 7-layers undoped

由 2.9 節知道當微分增益越大時，雷射的共振頻率越高，代表雷射可以操作的頻率 越高，從式(2.41)我們可以知道 D-factor 正比於微分增益的二分之一次方，當微分增 益越高時，D-factor 就會越大。表 4-3-3 和圖 4-3-5 為擬合後的 D-factor 資料，當共 振腔長度固定時，量子點層數越多或 p-doped 時，因為微分增益變大，所以 D-factor 也會變大，從式(2.39)可以得到較高的共振頻率，所以增加量子點層數可以提高雷射的 操作頻率。當共振腔變短時，微分增益會變小，所以 D-factor 也會變小。由式(2.39) 知道D f_r，理論上較短的共振腔因為 D-factor 較小所以共振頻率會較小，但是實際 上共振腔越短時，反而會有較高的共振頻率，我們可以從式(2.37)來解釋，當共振腔變 短時微分增益會變小，D-factor 也會變小，但是光子生命週期也會隨共振腔變短而減少，

使得操作頻率增加。所以我們只能使用 D-factor 來判斷雷射微分增益的大小，不能用 來判斷雷射操作頻率的快慢，雷射操作頻率還需要考慮光子密度和光子生命週期才能準 確判斷。

圖 4-3-4 同層數與不同共振腔長度微分增益作圖

51

D(GHz/ mW ) 3-layer(Un) 5-layer(Un) 5-layer(P) 7-layer(Un)

1500μm 0.72 1.00 1.10 1.10

1200μm 0.69 0.92 1.00

1000μm 0.90 0.92 0.96

800μm 0.88 0.90

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 0.5

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

D-factor (GHz/mW^1/2)

Cavity Length (um) 3-layers undoped

5-layers undoped 5-layers p-doped 7-layers undoped

從表 4-3-4 和圖 4-3-6 可以觀察到 K-factor 在固定共振腔長度下，會隨著量子點 層數增加而變小。其原因為當量子點層數增加時微分增益會變大，在共振腔長度固定下 光子的生命週期為定值，由式(2.44)知道當微分增益增加時，K-factor 會下降。在固定 量子點層數下，當共振腔長度變短時，光子生命週期也會變短，由式(2.44)知道 K-factor 隨共振腔長度變短而變小。

由式(2.43)和 K-factor，我們可以求出雷射的 f_3dB,max， f_3dB,max並非是雷射可

以調變之最大頻率，f_3dB,max是不考慮雷射內部寄生和外部封裝產生的電容電阻效應下求 出的本質最高頻寬(intrinsic maximum 3dB bandwidth)，為一個理想頻率，真正半導

表 4-3-3 量子點層數與不同共振腔長度的 D-factor

圖 4-3-5 不同層數與不同共振腔長度 D-factor 作圖

52

體雷射封裝完可以操作的頻率一定低於 f_3dB,max。雖然它並非是一正確調變頻率，但是真 正雷射可調變頻率正比於 f_3dB,max，所以在雷射尚未封裝前我們可以藉由 f_3dB,max來預測雷

射操作的頻率。表 4-3-5 和圖 4-3-6 是利用 K-factor 算出的 f_3dB,max，從表中我們可以 觀察到在固定共振腔長度下，量子點層數越多或 p-doped 下，因為微分增益提升，所以 可以操作的頻率越高，在量子點層數固定下，共振腔越短因為光子生命週期越短，所以 可以操作的頻率也會越高。

K(ns) 3-layer(Un) 5-layer(Un) 5-layer(P) 7-layer(Un)

1500μm 3.40 2.06 1.90 1.72

1200μm 3.10 1.93 1.60

1000μm 1.50 1.49 1.32

800μm 1.4 1.10

fmax (GHz) 3-layer(Un) 5-layer(Un) 5-layer(P) 7-layer(Un)

1500μm 2.61 4.20 4.68 5.17

1200μm 2.87 4.60 5.55

1000μm 5.92 5.96 6.73

800μm 6.35 8.10

表 4-3-4 量子點層數與不同共振腔長度的 K-factor

表 4-3-5 量子點層數與不同共振腔長度的f_max

53

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

3-layers undoped 5-layers undoped 5-layers p-doped 7-layers undoped

K- factor (ns)

Cavity Length (um)

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9

3-layers undoped 5-layers undoped 5-layers p-doped 7-layers undoped

Resonance frequancu (GHz)

Cavity Length (um)

圖 4-3-6 不同層數與不同共振腔長度 K-factor 作圖

圖 4-3-7 不同層數與不同共振腔長度f_max作圖

54

第五章 結論與未來展望

5.1 結論:

利用利用量子點雷射製作高速雷射需要滿足: 1.高微分增益 2.高光子密度 3.短 光子生命週期 4.高特徵溫度。在我們的實驗中，提高主動區量子點的層數和 p-doping 可以使量子點的基態增益提升，同時也能夠提升基態的特徵溫度，降低雷射對溫度的敏 感性。為了提高共振腔中的光子密度和降低短共振腔造成的鏡面損耗，我們將鏡面做高 反射率鍍膜，鍍膜後發現特徵溫度相較於鍍膜前大約提升了 11%。最後將鍍膜後的雷射 晶片批裂成不同長度的共振腔，量測基態的 RIN，在量測的結果我們得到對於相同長度 的共振腔，量子點層數越多，則微分增益越大，D-factor 越大，K-factor 越小，所以 提高量子點層數可以使雷射操作頻率提高。在固定量子點層數下，共振腔長度越短時，

雖然微分增益下降，但是光子生命週期變短，所以可以操作的頻率也會增加。所以增加 量子點層數、p-doping 於主動層內和鏡面高反射率鍍膜是對於實現高速量子點雷射有很 大的幫助。

5.2 未來展望:

在實驗中，我們知道實現高速量子點雷射必頇提高量子點層數和 p-doping 於主動 層中，對於不同結構的雷射如何找到最佳的量子點層數和 doping level 需要進一步的 研究。此外量子井雷射發展較早所以研究也比較成熟，目前實驗上已經做到 30~40Gbit/s。

而量子點因為具有原子狀的能態密度，所以理論預期量子點雷射具有低起始電流、高特 徵溫度，及較寬的調變頻寬，但實際上量子點的動態特性表現卻不如預期，直接調變 (direct modulation)的頻率目前約到 10Gbit/s，低於量子井雷射的 30~40Gbit/s，而 其具有基態與激發態雷射的特性，使其暫態與穩態特性和傳統半導體雷射甚不相同，值 得我們進一步去深究。

55

附 錄 A

量子點雷射參數分析

Lm4904 三層 undoped 量子點雷射:

由圖 A-1-1~圖 A-1-8 知道寬度 5μm 的雷射波長在第一激發態(1110nm)和第二激發 態(1180nm)，寬度 10μm，20μm 和 50μm 的雷射在較短的共振腔長度(1000μm 和 1500 μm)為第一激發態，在 2000μm 以上的共振腔長度皆為基態(1280nm)。由此可以知道，

3 層的量子點的增益較小，在短共振腔長度或者較窄共振腔寬度時，因為損耗較大，基 10us/1ms (duty cycle=1%)

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

L1000um

56 10us/1ms (duty cycle=1%)

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

L1000um L1500um L2000um L2500um L3000um

1100 1150 1200 1250

-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 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

圖 A-1-3 L-I-V 20μm 圖 A-1-4 L-I-V 50μm

圖 A-1-5 Spectrum 5μm 圖 A-1-6 Spectrum 10μm

圖 A-1-7 Spectrum 20μm 圖 A-1-8 Spectrum 50μm

57

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

-1

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

05um 10um 20um 50um

1/QED

Cavity length (um)

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

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

Power (mW)

圖 A-1-9 1/ηd對 L 作圖

圖 A-1-10 GS 變溫 LIV 圖10μm 圖 A-1-11 GS 變溫 LIV 圖 20μm

58

280 290 300 310 320 330 340 350

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

10um 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 = 1500um,Excited State 10us/1ms (duty cycle=1%)

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

Peak Wavelength (nm)

Temperature (C)

10um 20um 50um

Lm4917 五層 p-doped 量子點雷射:

p-doping 因為 thermally escape 的效應降低，所以基態增益和飽和增益提升，

由圖 A-1-21 至圖 A-1-23，當共振腔長度為 1000μm 時，基態增益也能克服損耗產生雷 射，從 L-I-V 圖 A-1-18~A-1-20 觀察到，p-doping 的斜率效率較為集中，起始電流也較 為集中，所以我們可以確定 p-doping 確實可以使量子點雷射的均勻性和效能提升。

59 到共振腔長度為 1000μm、1500μm、2000μm、2500μm 及 3000μm 的增益分別為 13.3 cm^-1、 9.5 cm^-1、7.6cm^-1、6.5cm^-1及 5.7 cm^-1。圖 A-1-25 和 A-1-26 為共振腔寬度 10μm 和 20 10us/1ms (duty cycle=1%)

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

L1000um

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

L1000um

1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Current (mA)

1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 -55

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

圖 A-1-18 L-I-V 10μm 圖 A-1-19 L-I-V 20μm

圖 A-1-20 L-I-V 50μm 圖 A-1-21 Spectrum 10μm

圖 A-1-22 Spectrum 20μm 圖 A-1-23 Spectrum 50μm

60

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

-1

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

10um 20um 50um Fitting

1/QED

Cavity length (um)

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Sat. gain 13.4cm^-1 Lm4917_QDLD_5-layers

W=10um modal gain gain curve fitting

modal gain (cm)

Threshold current density(A/cm²)

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Sat. gain 13.8cm^-1 Lm4917_QDLD_5-layers

W=20um modal gain gain curve fitting

modal gain (cm)

Threshold current density(A/cm²)

p-doped 五層量子點的基態(GS)做 10℃至 70℃變溫量測， 圖 A-1-27 至圖 A-1-28 為基態的變溫資料圖。共振腔長度為 2500μm 基態的特徵溫度為 82K，undoped 五層量 子點雷射為 59K，特徵溫度因為 p-doped 而提升約 40%左右。我們在 p-doped 五層量子 點雷射也觀察到波長並不會隨著溫度上升而發生紅移現象，而是隨溫度呈現震盪狀態。

圖 A-1-24 1/η^d對 L 作圖

圖 A-1-25 10 m 飽和增益圖 圖 A-1-26 20 m 飽和增益圖

61 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=82k 10us/1ms (duty cycle=1%)

Peak Wavelength (nm)

Temperature (C)

62 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

63

1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Current (mA)

1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 -60

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

1240 1250 1260 1270 1280 1290 1300 1310 1320 1330 -55

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0.0

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

05um 10um 20um 50um

1/QED

Cavity length (um)

圖 A-1-35 Spectrum 05μm 圖 A-1-36 Spectrum 10μm

圖 A-1-37 Spectrum 20μm 圖 A-1-38 Spectrum 50μm

圖 A-1-39 1/ηd對 L 作圖

64

Sat. gain 17cm^-1

Sat. gain 17cm^-1

在文檔中 半導體量子點雷射之主動層結構研究 (頁 58-0)