第一章 緒論
1.1 雷射的歷史及種類介紹
第一章 緒論
1.1 雷射的歷史及種類介紹
愛因斯坦於 1917 年提出物質與輻射的作用有三個基本的過程，即為激發吸 收(absorption)、自發放射(spontaneous emission)和激發放射(stimulated emission) 三種，並且在 1928 年由 Rudolf W. Ladenburg 透過實驗證實了愛因斯坦的理論。
而後愛因斯坦在 1930 年描述了原子的受激輻射，在此之後人們很長時間都在猜 測，這個現象可否被用來加強光場，因為前提是介質必須存在著群數反轉(或譯 居量反轉)的狀態，但在一個二級系統中，這是不可能的，因此人們首先想到用 三級系統，而且計算證實了輻射的穩定性。
雷射的概念源自於 1958 年由 Arthur Leonard Schawlow 和 Charles Hard Townes 所提出，當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的 分子會發出鮮豔的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象，他們提出了"雷射 原理"，即物質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發時，都會產生這種 不發散的強光--雷射。而後由 Maiman 在 1960 年率先製作出紅寶石雷射，由於 紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受到高強閃光燈 管刺激時，就會發出一種紅光。在一塊鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔，使 紅光可以從這個孔溢出，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，造就了人類史 上第一束雷射的誕生[1]。
歷經探索和發展各種雷射活性介質後，依據不同的介質可將大部分的雷射分 為四類：氣體雷射、固體雷射、半導體雷射、液體雷射。
2 1.2 氦氖雷射
氦氖雷射是人類史上第一類氣體雷射，雖介質是氖，在氦氖混合氣體中卻需 要高比例的氦才能使氖激發出雷射光，其結構大多由一支玻璃管或鋼質長管為主 體，在內部充入稀薄的氦氖混合氣體，使用一直流電源裝置將輸入的 110 伏特交 流電壓轉換成 1100 伏特的直流電壓，並在管內的一對電極之間產生強電場，氣 體原子因受到電場作用而激發出光源，再經由雷射兩端的鏡片多次來回反射，從 前端的鏡片射出形成雷射光束(如圖 1.1)。
氦氖雷射的效能轉換很低，輸出功率也不高，一般約略在幾毫瓦或數十毫瓦 之間，但是它的光束頻率非常固定且頻寬很窄，能量密度極高，又為可見光波長 632.8 奈米的紅光(如圖 1.2)，製造和結構比起其他種類的雷射相對簡單，故時 常用做準值、標定、精密量測、醫療等用途[2]。
圖 1.1 氦氖雷射
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圖 1.2 氦氖雷射光譜圖
1.3 半導體雷射
半導體雷射又稱做雷射二極體，在西元 1970 年，Hayashi 與 Alferov 先後實 現了在室溫下能夠連續操作的雷射，且其電流密度非常低，約為 1.6 𝐾𝐴 𝑐𝑚⁄ 2； 後來經過改良，開發出雙異質結構的雷射及條紋型構造的雷射二極體等，奠定了 往後的半導體雷射基礎，也帶動市面上出現各種應用半導體雷射的相關產品，讓 其不再只是實驗室內的樣品。
半導體雷射具有重量輕、體積小、結構簡單、能量轉換效率高、使用壽命長、
且可以直接由輸入電流大小來調制其輸出功率等特性。因此它被廣泛應用於資訊 處理、光纖通訊、家電用品、CD 光碟機、精密測量等各種產品上。現今的半導 體雷射主要可以分成邊射型雷射與垂直共振腔面射型雷射兩大類[3]。
4 (1) 邊射型半導體雷射
邊射型雷射(edge emitting laser‚EEL)的磊晶平面在水平方向，若以垂直方向 來看其結構主要分為上、下披覆層(cladding layer)又稱 pn 披覆層，以及主動層 (active layer)(如圖 1.3[4])。切割後在晶粒左右側邊蒸鍍金屬反射薄膜，雷射光 沿水平方向來回共振，由側邊射出，所以稱為「邊射型」，其中披覆層材料的能 隙較主動層大，因此形成能夠侷限載子的雙異質接面結構，PN 披覆層可分別提 供電子與電洞注入主動層複合產生光子，同時折射率較低的披覆層還可提供良 好的光侷限效果，讓雷射模態可以在空間上和主動層有很好的重疊。
圖 1.3 邊射型雷射結構示意圖 (2) 垂直共振腔面射型雷射
垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser‚VCSEL)使用分子 束磊晶(Mloecular Beam Epitaxy‚MBE)或有機金屬化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition‚MOCVD)在基板上成長數十層 N 型磊晶，接著成長一 層發光區(主動層)，然後再長成數十層 p 型磊晶，並且以上每層折射率都不相同，
最後在其垂質結構上下端還需成長布拉格反射鏡(如圖 1.4[4])，上方金屬電極需 使用化學蝕刻打開一個原型孔洞，使雷射光可以輸出，由於雷射是從磊晶的表面 射出，因此屬於「面射型雷射」。
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圖 1.4 垂直共振腔面射型雷射
1.4 環型半導體雷射
傳統半導體雷射多為直線型波導，由於共振腔較短，通常為多縱模態 (longitudinal modes)，但目前通訊傳播應用與光學紀錄解析度要求越來越高，對 於單模態輸出雷射的需求也日益增加，一般單模態半導體雷射的製程是利用鍍膜 技術成長兩面布拉格反射鏡，但所需的鍍膜技術較為複雜且成品較不容易與被動 原件整合。若是採用環型共振腔結構(ring resonator)結構，其環狀波導具有較長的 光侷限長度，可以得到較好的邊模抑制效果，並利用 Y 型耦合器直接將環型雷射 輸出與直線波導整合，除了輸出光源為單模態的優點外，也因此造就比線性雷射 更為複雜的非線性光學特性，如雷射縱模態分布、四波混頻等。
(1) 半環型雷射結構
最早利用環型波導特性的 N. MATSUMOTO 與 K. KUMABE 於 1977 年發表 了論文[5]，其結構如圖 1.5[5]。並可由測試結果發現(如圖 1.6[5])這種結構的元 件需要施加很高的電流才能啟動，所以在相關應用上較不容易實現，且其產生的 光譜結果也非理想的單模態雷射。
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圖 1.5 半環型雷射結構
圖 1.6 半環型雷射光譜 (2) 環狀非接觸型雷射
環狀非接觸型雷射結構中的環型共振腔與直線波導之間為非直接接觸(如圖 1.7[6])，而是利用了兩種波導間接偶合的方式以達到單模態雷射的輸出效果，且 使耦合環型雷射產生出 CW 與 CCW。經由環型雷射在不同偵測器(PD1、PD2) 的 L-I 結果(如圖 1.8[6])發現環型雷射具有以下三種特性：
I. 雙向(bidirectional)連續波 II. 交替震盪(alternate oscillations) III.單向雙穩態(directional bistability)
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藉著其單向雙穩態的特性，便可產生光開關的效果。但由於結構本身是以間 接偶合的方式操作，當環型共振腔與直線波導間距太大時，耦合效果會很差，因 此間距必須越小越好，不過這又會造成製程上極大的挑戰與困難，然而這樣的間 接偶合結構也不易於其他被動原件整合。
圖 1.7 環狀非接觸型雷射示意圖
圖 1.8 環型雷射在 PD1、PD2 下的 L-I
8 (3) 環狀接觸型雷射
I. 單 Y-型耦合器
環狀共振腔結合直線波導的結構形成一 Y-型耦合器耦合輸出(如圖 1.9)，以 準分子低溫蝕刻技術製作環形共振腔波導，由於不需要鏡面，因此製作上較容易，
也更方便與其他原件整合成單晶片光積體電路[7]。擁有環形共振腔結構之半導 體雷射的旁模抑制(side mode rejection)效果很好，很適合操作在單一模態中，即 可以成為窄頻寬應用之光源。
圖 1.9 單 Y-型耦合輸出半導體雷射結構
經過量測單 Y-型耦合器的直線型波導端輸出之特性曲線(如圖 1.10)及光譜，
發現其輸出光束屬於單模態(如圖 1.11)。
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圖 1.10 單 Y-型共振腔環形雷射波導端特性曲線
圖 1.11 單 Y-型共振腔環形雷射波導端光譜
II. 雙 Y-型耦合器
同單 Y-型耦合共振腔波導的製程，但在原有的直線波導結構相隔環狀共振 腔直徑的距離上再加入一直線形波導，並同樣與環狀共振腔直接耦合，形成擁有 雙 Y-型耦合器的環型半導體雷射結構(如圖 1.12)。
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圖 1.12 雙 Y-型耦合環型半導體雷射結構
雙 Y-型耦合器的環型半導體雷射同樣不需要鏡面反射，因此也具有製作容 易和方便與其他元件整合成晶片積體電路等優點，且具有雙輸出，但經過光譜量 測後發現其單模態效果明顯不如單 Y-型耦合器(如圖 1.13)，目前推測可能是兩 個 Y-型耦合共振腔內的非線性效果相互疊加或干擾所造成，因此在特性研究上 產生了更多不確定性因素，故本論文主要以單 Y-型耦合環型半導體樣本的測量 數據做為推導環型雷射特性模型的依據。
圖 1.13 雙 Y-型耦合環型半導體雷射光譜
A B
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12 (absorption)、自發放射(spontaneous emission)與受激放射(stimulated emission)(如 圖 2.3[1])，𝐸1與𝐸2分別表示基態(ground state)與激發態(excited state)，在此兩能 接產生的光子頻率為𝑉12，而ℎ𝑣12 = 𝐸2− 𝐸1。假設有一道光含有能量為ℎ𝑣12的光
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圖 2.3 光子與電子交互作用示意圖(a)吸收 (b)自發放射 (c)受激放射
由於直接能隙(direct bangap)的半導體材料具有非常有效率的輻射復合，並具 有非常大的能態密度(density of states)可供電子電洞填入，如圖 2.4[8]為各種半導 體雷射常用材料的能隙與晶格長數對照表，使得半導體材料的增益系數相對於傳
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圖 2.4 半導體雷射常用材料的能隙與晶格常數對應圖
本論文研究中所使用的基板為 n 型材料砷化鎵，並以 MOCVD 方式成長出 InGaAlP的多重量子井磊晶結構以製作出脊狀的環型共振腔，其發光波長約為 650nm。主動層則是以兩層厚度為 10 nm及一層厚度為 5 nm的GaInP組成的多重 量子井結構，並在此量子井上、下各有一層厚度為 100 nm的披覆層(如圖 2.5[9])。
圖 2.5 InGaAlP的多重量子井磊晶結構
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經由𝐸𝑔 ≅1.24𝜆 可計算出GaInP的𝐸𝑔約為 1.9eV(如圖 2.6[10])，其發出的光 波長為 650 nm。此能帶圖能隙最大的是(𝐴𝑙0.7𝐺𝑎)𝐼𝑛𝑦𝑃，其𝐸𝑔 = 2.4𝑒𝑉，在這裡是 擔 任 披 覆 層 的 角 色 ， 而 其 他 類 似 階 梯 結 構 的 能 帶 圖 則 稱 為 件 變 性 折 射 率 SCH(Separate-confinement-hetero-structure)(grade-index SCH,GRIN-SCH)，其中波 導管的 GRIN 是由一些小階梯式與逐漸增加能隙能量的復合包覆層來達成。GRIN-SCH 結構比 是由一些小階梯式與逐漸增加能隙能量的復合包覆層來達成。GRIN-SCH 結構能更有效的侷限載子與光場，因此其臨界電流密度會更低 [10]。
圖 2.6 多重量子井與披覆層能帶圖 2.3 半導體雷射居量反轉原理
起初少數電子、電洞注入主動層中，便可產生自發放射與受激放射，但此時 的電子電洞復合大部分為自發放射，亦即是 LED 操作階段；當達到閾值電流(𝐼𝑡ℎ) 後，電子與電洞的注入增加，配合光學共振腔給予適當的光學回饋使光子能保存
起初少數電子、電洞注入主動層中，便可產生自發放射與受激放射，但此時 的電子電洞復合大部分為自發放射，亦即是 LED 操作階段；當達到閾值電流(𝐼𝑡ℎ) 後，電子與電洞的注入增加，配合光學共振腔給予適當的光學回饋使光子能保存