高頻被動鎖模量子點雷射元件

為了得到更高頻率的脈衝雷射光，最直接與簡單的方法便是縮減共振腔的長度。

圖5-13 是共振腔長度為 2mm、2.5mm 與 3mm 的鎖模量子點雷射在 RF 頻譜上表現的 重複頻率位置。由此可知，由於重複頻率與共振腔長度成反比，且要產生重複頻率大 於40GHz 的鎖模脈衝，則必須將鎖模雷射的共振腔縮短至 1mm 以下。因此我們嘗試 以單純劈裂面，並將共振腔長度縮短至1mm，依相同的製程製作出鎖模量子點雷射，

其測量結果如圖5-14。在圖 5-14(a)中，由不同逆向偏壓的光特性曲線圖可以了解，

在逆向偏壓為0V 的狀況下，其光特性曲線分別在低電流與高電流操作下有兩種不同 的特性曲線，轉折點前的光特性曲線的斜率較轉折點後的斜率來得小，因此轉折點前 後分別代表兩種不同的能態發光模式。由於在量子點半導體雷射中，若共振腔過短，

則光靠其基態增益往往無法克服損耗輸出雷射光，因此必須增加注入電流以利用臨界 增益更高的激發態增益來產生雷射光。故圖5-14(a)中的斜率較高與較低的光特性曲 線即分別代表激發態與基態的雷射輸出，注入的增益電流愈大則，因基態增益已達飽 和，而激發態發光佔總輸出雷射光強度的比重也愈大。當逆向偏壓增加時，基態增益 漸漸地無法克服吸收區增加的損耗而轉為激發態發光，因此逆向偏壓愈大，其臨界電 流也愈高，直到僅剩激發態的光特性曲線。

但若要準確地判斷是基態或是激發態輸出，則還是必須由光譜分析儀觀察中心波 長的位置來判別，如圖5-14(b)顯示在增益電流為 60mA 且逆向偏壓在-2 V 至-4V 之間 都仍是以基態發光(中心波長在 1280nm 至 1310nm 之間)為主，但其光強度則隨著逆 向偏壓增加而減少，且中心波長亦隨之紅移。而在自相關儀量測脈衝的結果，如圖 5-14(c)，其中鎖模脈衝雷射操作在增益電流為 60mA 且逆向偏壓為-3.5V，雖然在自 相關儀上已看得見脈衝訊號，然而此時的脈衝寬度大於脈衝之間的時間差，因此脈衝 前後端互相重疊，形成一個類似連續波的平台形狀訊號。隨著逆向偏壓的增加，脈衝

開始 為41.15GH

點雷射，在

圖5--14 共振腔 (a)光特 其在自

腔長為1mm 特性曲線，與 自相關儀上的

m 且含有 11 與在增益電 的二階諧波

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1μm 的飽和 電流為60mA 波訊號。

和吸收區的 A 下，不同

的被動式鎖模 同逆向偏壓的

模量子點雷 的(b)光譜，

雷射，其 以及(c)

圖5--15 共振腔 作在增 有二階

腔長為1mm 增益電流為6 階諧波訊號波

m 且含有 11 60mA 與逆 波包與其擬

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1μm 的飽和 逆向偏壓為-擬合曲線，以

和吸收區的 -4.5V 時，(

以及(b)單一

的被動式鎖模 (a)自相關儀 一訊號波包的

模量子點雷 儀量測範圍內

的分析結果 雷射並操

內的所 果。

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第六章 結論與未來展望

本研究已經成功製作出波長為 1.3μm 波段的兩段式被動鎖模量子點雷射，並且透 過自動化的量測系統，可以同時調變增益電流與逆向偏壓，量測其產生的脈衝雷射光，

並且做分析與參數的的萃取，從而歸納出被動鎖模半導體雷射要產生超短脈衝，其最 佳操作區應是在高逆向偏壓與低增益電流。並且在吸收區比增益區比例為1:5 的鎖模 量子點雷射中，增益電流為26mA 且逆向偏壓為-7V 的情況下，有一極短的鎖模脈衝，

其寬度為2ps，重複頻率為 16GHz。最後我們成功地將兩段式被動鎖模量子點雷射的 共振腔縮短至1mm 而足以產生出頻率超過 40GHz，且脈衝寬度僅為 3.4ps，大大地提 昇其利用價值。

由於目前所製作的元件所仍無法產生轉換極限脈衝，因此未來仍有許多改進空間

，並可以透過設計上的最佳化，用以抵銷半導體共振腔內部產生的啁啾，並嘗試不同 的操作方法，研究如何減少脈衝寬度與 TBP 等。此外若要縮短共振腔長度以提高重 複頻率，則必須想辦法提高增益區的主動層增益量或是減少鏡面及其他的損耗。

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參考文獻

[1] Y. Arakawa and H. Sakaki, "Multidimensional quantum well laser and temperature­

dependence of its threshold current," Appl. Phys. Lett., vol. 40, no. 11, 1982.

[2] N. N. Ledentsov, M. Grundmann, F. Heinrichsdorff, Dieter Bimberg, V. M. Ustinov, A.

E. Zhukov, M. V. Maximov, Zh. I. Alferov, and J. A. Lott, "Quantum ­ Dot Heterostructure Lasers, " IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 6, no. 3, 2000.

[3] G. Park, O. B. Shchekin, D. L. Huffaker, and D. G. Deppe, "Low threshold oxide­

confined 1.3μm quantum dot laser, " IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 3, pp.230-232, 2000

[4] O. B. Shchekin and D. G. Deppe, "1.3μm InAs quantum dot laser with To=161K from 0 to 80℃," Appl. Phys. Lett., vol. 80, no. 18, 2002.

[5] V. M. Ustinov, A. E. Zhukov, A. Y. Egorov, and N. A. Maleev, Quantum Dot Lasers.

New York: Oxford University Press, 2003.

[6] T. C. Lu, Introduction to Semiconductor Lasers, 2008.

[7] L. A. Coldren, Scott W. Corzine, "Diode lasers and photonic integrated circuits, " John Wily & Sons, Inc., 1995.

[8] Z. I. Alferov, "Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology," Reviews of Modern Physics, vol. 73, pp. 767, 2001.

[9] B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics. New York: Wiley, 1991.

[10] A. J. Williamson, L. W. Wang, and Alex Zunger, "Theoretical interpretation of the experimental electronic structure of lens­shaped self­assembled InGaAs quantum dots,

" Phys. Rev. B ,vol. 62, no. 19, 2000.

59

[11] A. Kovsh, I. Krestnikov, D. Livshits, S. Mikhrin, J. Weimert, and A. Zhukov,

"Quantum dot laser with 75 nm broad spectrum of emission," Opt. Lett., vol. 32, pp.

793-795, 2007

[12] P. Vasil'ev, Ultrafast Diode Lasers: Fundamentals and Applications. Boston: Artech House, 1995.

[13] M. G. Thompson, A. Rae, R. L. Sellin, C. Marinelli, R. V. Penty, I. H. White, A. R.

Kovsh, S. S. Mikhrin, D. A. Livshits, and I. L. Krestnikov, "Subpicosecond high-power mode locking using flared waveguide monolithic quantum-dot lasers,"

Appl. Phys. Lett., vol. 88, pp. 133119-3, 2006.

[14] X. D. Huang, A. Stintz, H. Li, L. F. Lester, J. Cheng, and K. J. Malloy, "Passive mode-locking in 1.3 μm two-section InAs quantum dot lasers," Appl. Phys. Lett., vol.

78, pp. 2825-2827, 2001.

[15] T. W. Berg and J. Mork, "Quantum dot amplifiers with high output power and low noise," Appl. Phys. Lett., vol. 82, pp. 3083-3085, 2003.

[16] M. G. Thompson, C. Marinelli, Y. Chu, R. L. Sellin, R. V. Penty, I. H. White, M. Van Der Peol, D. Birkedal, J. Hvam, V. M. Ustinov, M. Lammlin, and D. Bimberg,

"Properties of InGaAs quantum dot saturable absorbers in monolithic mode-locked lasers," IEEE 19th International Semiconductor Laser Conference,  pp.53-54, 25-25 Sept. 2004.

[17] K. Petermann, Laser Diode Modulation and Noise, 1991.

[18] P. Borri, S. Schneider, W. Langbein, and D. Bimberg, "Ultrafast carrier dynamics in InGaAs quantum dot materials and devices," J. Opt. A, vol. 8, pp. S33-S46, 2006.

[19] D. Ouyang, N. N. Ledentsov, S. Bognar, F. Hopfer, R. L. Sellin, I. N. Kaiander, and D.

Bimberg, "Impact of the mesa etching profiles on the spectral hole burning effects in quantum dot lasers," Semiconductor Sci. Tech., vol. 19, pp. L43-L47, 2004.

60

[20] M. Grundmann, F. Heinrichsdorff, N. N. Ledentsov, C. Ribbat, D. Bimberg, A. E.

Zhukov, A. R. Kovsh, M. V. Maximov, Y. M. Shernyakov, D. A. Lifshits, V. M.

Ustinov, and Z. I. Alferov, "Progress in quantum dot lasers: 1100 nm, 1300 nm, and high power applications," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 39, pp. 2341-2343, 2000.

[21] E.U. Rafailov, S.J. White, A.A. Lagatsky, A. Miller, W. Sibbett, D.A. Livshits, A.E.

Zhukov, V.M. Ustinov, , "Fast quantum-dot saturable absorber for passive mode-locking of solid-State lasers," Photonics Technology Letters, IEEE , vol.16, no.11, pp.2439-2441, 2004

[22] Claude Rulli`ere (Ed.), “Femtosecond Laser Pulses: Principles and Experiments, 2nd edition”, Springer, 2004.

[23] K. L. Sala Geraldine A. Kenney-Wallace, and Gregory E. Hall, CW autocorrelation measurements of icosecond laser pulses. IEEE J., vol. QE-16, no. 9, 1980

[24] Y. Xin, Y. Li, A. Martinez, T. J. Rotter, H. Su, L. Zhang, A. L. Gray, S. Luong, K.

Sun, Z. Zou, J. Zilko, P. M. Varangis, and L. F. Lester, “Optical gain and absorption of quantum dots measured using an alternative segmented contact method,” IEEE J.

Quantum Electron., vol. 42, no. 7, pp. 725–732, Jul. 2006.

[25]  D. B. Malins, A. Gomez-Iglesias, P. Spencer, E. Clarke, R. Murray, and A. Miller,

“Quantum-confined Stark effect and ultrafast absorption dynamics in bilayer InAs quantum dot waveguide,” Electron. Lett., vol. 43, pp. 686–688, 2007.

[26] X. D. Huang, A. Stintz, H. Li,A. Rice, G. T. Liu, L. F. Lester, J. Cheng, and K. J.

Malloy, “Bistable operation of a two-section 1.3-μm InAs quantum dot laser—Absorption saturation and the quantum confined Stark effect,” IEEE J.

Quantum Electron., vol. 37, no. 3, pp. 414–417, Mar. 2001.

61

[27] M. A. Cataluna, “Ultrashort-pulse generation from quantum-dot semiconductor diode lasers”, University of St Andrews, PhD. Thesis, 2007.

[28] Y. C. Xin, Y. Li, V. Kovanis, A. L. Gray, L. Zhang, and L. F. Lester, “Reconfigurable quantum dot monolithic multi-section passive mode-locked lasers,” Opt. Exp., vol. 15, pp. 7623–7633, 2007.

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簡歷 (Vita)

姓名：陳竑霖 (Chen Hong­Lin)

性別：男

出生年月日：民國76 年 3 月 1 日

籍貫：台灣台北

學歷： 臺北市立大同高級中學 ( 91.9 ­ 94.6 ) 交通大學電子物理學系學士 ( 94.9 ­ 98.6 ) 交通大學電子研究所碩士班 ( 98.9 ­ 100.11 )

碩士論文題目：

1.3 微米波段兩段式被動鎖模量子點雷射之研究

Studies of Two-Section Passively Mode-Locked Quantum-Dots Lasers in 1.3μm Range