4-3 封裝完成的 DO901 雷射

我們將寬度 50μm 長度 3mm 的雷射元件請工研院做進一步的封 裝，以便接下來高電流和低溫的量測。封裝的方法如圖 4-21 所示，

4-3-1 高電流量測

在先前的頻譜量測中，我們知道QDL和QDM的基態發光波長相差約 40nm，接下來我們觀察大電流下，兩發光頻譜的相連性，看看這樣的 結構是否具有發展寬頻雷射的潛力。

我們將封裝好的元件做高電流的特性分析，將電流加到 3A量到的 LI曲線如圖 4-22，起始電流約為 140mA，當電流加到 3A，輸出功率 可高達 1900mW，且熱效應尚不明顯。接著做頻譜分析，電流我們以 脈衝的方式輸入，脈衝寬度為 2μs週期 0.2ms，測量結果如圖 4-23，

在電流由 0.15A加至 0.7A的過程中，只有QD^L基態所發出的雷射光(波 長 1.265μm)，當電流大於 0.8A後，QD^M基態也參與發出雷射光(波長 1.22μm)，此結果和LI圖中 800mA附近的折點相符。各電流值下半高 寬變化整理如圖 4-24，電流由 0.15A加至 1.2A的過程中，半高寬持 續的增加，1.2A時的半高寬為 20.8nm。但在注入電流 1.4A時，短波 長的波峰高過長波長的波峰，而短波長者在該電流下的半高寬較小，

使圖中出現不連續的兩曲線。電流繼續加大，半高寬仍會繼續增加，

至電流 2.4A，半高寬達到最大值 19.9nm，當時兩波峰間的凹陷為 6.4dB。當電流繼續加大，半高寬不再增加，反而有減小的趨勢，猜 測其原因為元件過熱所造成的不穩定。雖然半高寬減小，但中間的凹 陷卻變淺了，在電流 2.6A時，凹陷程度為 4.4dB，當時的半高寬為 18.8nm。電流 2.8A和 3A情況下，中間的凹陷程度亦差不多。

雖然中間的凹陷大於 3dB，但 4.4dB 已經是相當不錯的結果，以 我們現在這個例子來看，若中間的凹陷小於 3dB，整體的頻寬可高達 50nm。往後，我們可以試著調整長晶的條件讓兩能態的發光波長更靠 近，或者是提高量子點的不均勻性讓兩波峰的相連性更好，我們預期 這些改善可製作出高輸出功率，頻寬 50nm 以上的寬頻雷射。

4-3-2 變溫量測 (60k~340k)

在變溫量測中，我們量到負特徵溫度的現象。該元件在各溫度下 量到的LIV曲線和頻譜如圖 4-25 (a)(b)、圖 4-26 (a)(b)和圖 4-27

(a)(b)，LIV曲線和頻譜是在兩次不同的降溫過程中所量得，所以兩

者的溫度之間略有誤差，但在做頻譜量測時，會先做一次LIV的量測，

觀察當時的曲線變化，曲線特徵標示在頻譜的圖中，可作為彼此對應 的依據。我們發現LIV曲線和頻譜的特徵可分成三種，分別落在溫度 280k~350k (區間 1)、200k~260k (區間 2)和 60k~180k (區間 3)。在 接近室溫的區間 1(圖 4-25)中最為單純，LI為簡單的直線，頻譜中只 有QD^L基態的波長。溫度再降低，區間 2(圖 4-26)中發現LI曲線有轉 折，此轉折對應到QD^M基態的加入，在頻譜中，我們可以看到低電流 時只有QD^L基態的光，電流加大後QD^M基態也會一起發光。溫度繼續降 低，區間 3(圖 4-27)中，情形剛好相反，變成低電流時QD^M基態的光 先發出，電流加大後QD^L基態再一起發光，LI曲線中，階梯狀的轉折 點對應到的即是QD^L基態加入發光的時候。這個現象十分的特別，和 一般的預期不同。進一步將起始電流對溫度的變化整理如圖(4-28)，

可明顯看出負特徵溫度的現象[7][8]。以下，我們將對這些現象做定 性上的解釋。

在低溫的時候，載子所擁有的能量較小，無法在量子點間快速的 移動，沒有辦法在抵達能量最低的能態後再復合，因此無法達成準平

置相遇。從圖 3-1 中我們看到空間分布上，QDL靠近負極，QDS靠近正 極，且十層量子點所佔的厚度將近 400nm。也就是說，電子電洞在正 極附近相遇後，必須再經過 400nm的距離才能找到能量最低的QDL，且 此過程中需越過數個GaAs的能障，需要相當的能量。在接近室溫的情 況下，電子電洞在在靠近正極的QD^S相遇後有足夠的能量和速度讓他 們可以找到能量最低的QD^L，達成準平衡的載子分布，然後在QD^L中復 合發出QD^L基態的光。但隨著溫度降低，許多載子的能量無法讓他在 短時間內到達QD^L而在半途的QD^M中發生復合，甚至在QD^S中複合。溫度 越低，就越多載子落在QD^M中，當QD^M所擁有的載子越多，就越容易達 成雷射共振條件，發出QD^M基態的雷射光。溫度區間 2 中，非準平衡 的情況稍稍浮現出來，已有不少載子在QD^M中累積，所以電流加大QD^M便 有機會開始達成共振而發出雷射光。在溫度更小的區間 3 中，QD^M的 載子累積效率甚至比QD^L更快，比QD^L更容易發生雷射共振，當電流注 入後，比QD^L更早發出雷射光。

接下來考慮非準平衡下載子在同層量子點中的情況，同層量子點 中，量子點大小也有差異，溫度高可達成準平衡時，載子會填到能量 較低的量子點中，發光的波長較集中，頻譜較窄。而溫度低時無法達 成準平衡，所有大小的量子點都有讓載子複合的機會，因此頻譜較 寬。我們觀察QD^L基態的發光頻譜，可發現隨溫度降低，頻譜的確有 越來越寬的趨勢(六個頻譜圖的橫軸刻度大小皆相同)。

在圖 4-28 中，區間 1 的部份，當溫度下降起始電流密度隨之下 降，造成此現象的原因是當溫度低時材料的增益較佳，較小的電流就 可以產生足夠的增益，在此範圍內，得到的特徵溫度約為 80 度。而 在區間 2、3 中，我們觀察到負特徵溫度的現象，此現象亦可用非準 平衡來解釋：在非準平衡的情況下，載子散佈在不同層不同大小的量

子點中，示意如圖 4-29，若要達成和準平衡狀態下相同的增益，必 須要填入更多的載子，如此，造成起始電流密度的上升，造成區間 2、

3 中負特徵溫度的現象。

QD^L和QD^M基態發光波長隨溫度的變化整理如圖 4-30。溫度下降，

造成能隙(Eg)增加，波長往短波長移動，兩發光波長的間隔維持約 45nm，和室溫時差不多。

1275 1280 1285 1290 1295 -75

-70 -65 -60 -55 -50

L=3mm @ 300mA L=2mm @ 200mA L=1mm @ 150mA

DO609 W=50μm & Pulsed

Intensity (dBm)

Wavelength (nm)

圖 4-1 (a) DO609 共振腔長度為 3mm、2mm、1mm 所量到的頻譜

1275 1280 1285 1290 1295

-60 -55 -50 -45 -40 -35

DO609 W=50μm & Pulsed

L=0.6mm @ 140mA

L=0.5mm @ 160mA

Intensity (dBm)

Wavelength (nm)

圖 4-1 (b) DO609 共振腔長度 0.5mm、0.6mm 所量到的頻譜(所使用光 纖與上下兩圖不同，造成解析度上的差異)

1185 1190 1195 1200 1205 -75

-70 -65 -60 -55 -50

L=0.4mm @ 500mA DO609 W=50μm & Pulsed

Intensity (dBm)

Wavelength (nm)

圖 4-1 (c) DO609 共振腔長度 0.4mm 所量到的頻譜

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 1180

1200 1220 1240 1260 1280 1300

DO609 lasers W=50μm

wavelength (nm)

cavity length (mm)

0 50 100 150 200 250 300 350 0

10 20 30 40

L=3mm L=2mm

L=1mm DO609 W=50μm

2side power (mW)

Current (mA)

圖 4-3(a) DO609 共振腔長度 1mm、2mm 和 3mm 所量得的 LI 曲線

0 100 200 300 400 500 600

0 10 20 30 40

L=0.4mm L=0.5mm L=0.6mm

L=0.8mm Do609 W=50μm

2side power (mW)

Current (mA)

圖 4-3(b) DO609 共振腔長度 0.8mm、0.6mm、0.5mm 和 0.4mm 所量得 的 LI 曲線

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0

1 2 3 4 5 6 7

DO609 lasers W=50μm

loss=4cm^-1η_i=0.75 1/η D

L(mm)

圖 4-4 DO609 差額量子效率倒數隨共振腔長度的變化

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0 200 400 600 800 1000 1200

1400 DO609 lasers W=50μm

J_th=85A/cm²

for L goes to infinite Jth (A/cm2 )

1/L (mm^-1)

01 5 10 15 20 25 30 35

00 1000

gsat=27 cm^-1, J

tr=60 A/cm², r=0.3 modal gain (cm-1 )

current density (A/cm²)

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300

wavelength(nm)

圖 4-6 DO609 模態增益和波長隨起始電流密度的變化圖

W

λ

_GS

λ

_ES

η

_i

α

_i

g

^sat

γ J

_th^L→∞

J

_tr

50μm 1285nm 1196nm 0.75 4 cm^-1 27 cm^-1 0.3 85 A/cm² 60A/cm² 表 4-1 DO609 各項分析結果整理

圖 4-7(a)脊寬度規格 5μm，SEM 9500 倍的結果

圖 4-7(b) 脊寬度規格 12.5μm，SEM 4300 倍的結果 W 5 12.5 25 50 100 125

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300

L=4mm @40mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

-60 -50 -40 -30

L=1.5mm @30mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

-60 -50 -40 -30

L=0.75mm @30mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

-60 -50 -40 -30

L=3mm @30mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

-60 -50 -40 -30

L=1.25mm @40mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

-60 -50 -40 -30

L=0.6mm @30mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

-60 -50 -40 -30

Intensity (dBm)

Wavelength (nm) L=2mm @30mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

-60 -50 -40 -30

L=1mm @40mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -70

L=0.5mm @40mA

1100 1120 1140 1160 1180 1200 1220 -70

-60 -50 -40 -30

L=0.4mm @75mA

wavelength (nm)

Intensity (dBm)

圖 4-8(a) 脊寬度 5μm 在在不同共振腔長度下，在起始電流附近的 頻譜圖

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300

DO901 lasers W=125μm pulse:2us20us

L=0.5mm @600mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

L=0.6mm @500mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

L=0.75mm @500mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

L=1mm @500mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

L=1.25mm @400mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

L=1.5mm @350mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

Intensity (dBm)

Wavelength (nm) L=2mm @300mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

L=3mm @300mA

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -60

L=4mm @300mA

圖 4-8(b) 脊寬度 125μm 在在不同共振腔長度下，在起始電流附近 的頻譜圖

1200 1220 1240 1260 1280

wavelength (nm) DO901 W=5μm,L=4mm pulse:2μs20μs

Intensity (dBm)

1200 1220 1240 1260 1280 -70

wavelength (nm)

Intensity (dBm)

DO901 lasers W=5μm,L=3mm pulse:2μs20μs

(a) (b)

1200 1220 1240 1260 1280 -70

wavelength (nm) DO901 lasers W=5μm,L=2mm pulse:2μs20μs

Intensity (dBm)

1200 1220 1240 1260 1280 -60 DO901 W=125μm,L=1.25mm pulse:2μs20μs

wavelength(nm)

intensity(dBm)

(c) (d)

圖 4-9 (W,L) = (5,4000)(a)、(5,3000)(b)、(5,2000)(c)和 (125,1250)(d)，頻譜隨電流的變化

1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260 1280

0 1000 2000 3000 4000

DO901 lasers

cavity length(um)

wavelength(nm)

W125 W005

圖 4-10 發光波長隨共振腔長度的變化

0 20 40 60 80 100 pulse:2μs2ms

2side Power (mW)

Current (mA)

0 20 40 60 80 100 pulse:2μs2ms

L=0.4mm L=0.5mm L=0.6mm

2side Power (mW)

Current (mA)

圖 4-11(a) 脊寬度 5μm 的 LI 曲線

200 400 600

0 DO901 lasers W=125μm

pulse:2μs2ms

2side Power (mW)

Current (mA)

400 600 800

0 DO901 lasers W=125μm

pulse:2μs2ms

2side Power (mW)

Current (mA)

圖 4-11(b) 脊寬度 125μm 的 LI 曲線

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

Cavity Length (mm) DO901 lasers W=5μm

DO901 lasers W=12.5μm

Cavity Length (mm) 1/ηD α_i=1.5cm^-1, η_i=0.52 DO901 lasers W=25μm

Cavity Length (mm) 1/ηD DO901 lasers W=50μm

Cavity Length (mm) 1/ηD DO901 lasers W=100μm

Cavity Length (mm) 1/ηD DO901 lasers W=125μm

Cavity Length (mm) 1/ηD

W(μm) λ1 λ2 αⁱ ηⁱ αⁱ ηⁱ 5 3.2 0.5 3 0.7 12.5 1.5 0.52 2 0.7

25 1 0.51 50 0.8 0.51 125 1.5 0.5

表 4-3 不同脊寬度下，兩波段內部損耗和內部量子效率整理。(αⁱ單 位為cm^-1。)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0 200 400 600 800 1000

J_th=60A/cm²

for L goes to infinite DO901 lasers W=125μm

Jth (A/cm2 )

1/L(mm^-1)

圖 4-13 寬度 125μm，起始電流密度和共振腔長度的關係

圖 4-14 各能階高低對應示意圖

11200 1160 1200 1240 1280

5 10 15 20 25 30 35

DO901 lasers

g mod (cm-1 )

W=5μm W=125μm

0 1000

modal gain DO901 W=5μm

modal gain (cm-1 )

Jth (A/cm²)

wavelength

Wavelength (nm)

圖 4-16(a) 脊寬度 5μm，模態增益和波長隨起始電流密度的變化

100 1000 0

5 10 15 20 25 30 35

modal gain DO901 W=125μm

modal gain (cm-1 )

Jth (A/cm²)

1180 1200 1220 1240 1260 1280

wavelength

Wavelength (nm)

圖 4-16(b) 脊寬度 125μm，模態增益和波長隨起始電流密度的變化

g

sat (cm^-1) J^tr(A/cm²) 單層g^sat QD^L GS 11 55 5.5 QD^M GS ~18 ~150 ~6 QD^L ES 22 200 5.5

0 50 100 150 200 0

10 20 30 40 50 60 70 80

T=20^oC~80^oC δT=10^oC

DO901 W=5μm,L=3mm pulse:2μs2ms

2side power (mW)

Current (mA)

圖 4-17 (W,L)=(5,3000)在溫度範圍 20^oC~80^oC下的LI曲線變化

20 30 40 50 60 70 80

10³

DO901 W=5μm,L=3mm

T0=50

T₀=80 Jth (A/cm2 )

Temperature (^oC)

圖 4-18 (W,L)=(5,3000)在溫度範圍 20^oC~80^oC下，起始電流密度的變 化圖

1200 1220 1240 1260 1280 1300 -80

-60 -40

Intensity (dBm)

wavelength

DO901 W=5μm,L=3mm

wavelength(nm)

GS1 dλ/dT=0.45nm/k GS2 dλ/dT=0.37nm/k

圖 4-21 封裝過程與結果圖

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0

500 1000 1500 2000

2side power (mW)

current (mA)

圖 4-22 大電流的 LI 曲線

1180 1200 1220 1240 1260 1280 1300 -80

-75 -70 -65 -60 -55

Intensity (dBm)

wavelength (nm)

150mA 400mA 800mA 1200mA 2400mA 2600mA

圖 4-23 電流 0.15A~2.6A 的頻譜變化

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4

8 12 16 20

FWHM (nm)

current (A)

0 50 100 150 200 250 3000

power (a.u.)

current (mA) 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0

temperature increase T=180~340k

δT=20k

Voltage (V)

圖 4-25(a) 溫度 180k~340K 的 LI 曲線

1150 1200 1250 1300

-90

@340K Ith~210mA

Intensity (dBm)

wavelength (nm) 200mA

250mA 300mA

1150 1200 1250

-90

@280K Ith~105mA

Intensity (dBm)

wavelength (nm) 100mA

0 50 100 150 200 250 3000

temperature increase power (a.u.)

voltage (V)

current (mA) 0.0

0.5 1.0 1.5

2.0 T=200~260k δT=20k

圖 4-26(a) 溫度 220k~260K 的 LI 曲線

1150 1200 1250

-90

@220K Ith~80mA,kink @~187mA

Intensity (dBm)

wavelength (nm) 100mA

150mA 200mA 250mA 300mA

0 50 100 150 200 250 3000

power (a.u.)

current (mA) 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0

temperature increase T=60~180k

δT=20k

voltage (V)

圖 4-27(a) 溫度 60k~180K 的 LI 曲線

1150 1200 1250

-85 -80 -75 -70 -65

-60 @160K Ith~158mA

Intensity (dBm)

wavelength (nm)

150mA 200mA 250mA 300mA

1150 1200 1250

-85 -80 -75 -70 -65

-60 @100k Ith~187mA

Intensity (dBm)

wavelength (nm)

130mA 150mA 200mA 250mA 300mA

1150 1200 1250

-85 -80 -75 -70 -65

-60 @60K Ith~194mA

Intensity (dBm)

wavelength (nm)

150mA 200mA 250mA 300mA

圖 4-27(b) 溫度 160K、100K 和 60K 的頻譜

50 100 150 200 250 300 350 10²

III II I

T0=80 Jth (A/cm2 )

Temperature (K)

圖 4-28 起始電流密度隨溫度的變化，依三種不同的頻譜特性，分成 I、II 和 III 三個區域

50 100 150 200 250 300 350 1160

1180 1200 1220 1240 1260 1280

dλ/dk=0.1nm/k dλ/dk=0.0875nm/k

dλ_GS1/dk=0.35nm/k

wavelength (nm)

temperature (k) GS1

GS2

圖 4-30 兩發光波長隨溫度的變化

第五章 結論

在本實驗中，我們成功地在不同共振腔長度下，依序量到三種量 子點中不同能態所發出的雷射光，並在某些特定共振腔損耗下觀察到 兩個波長同時存在的情形，此多波長的特性可運用在多波長切換雷射 上 。 在 模 態 增 益 的 分 析 中 ， 得 到 單 一 層 量 子 點 的 飽 和 增 益 約 在 5~6cm^-1，且更加確定多個能態依序參與發光的可能性。

內部量子效率分析發現一個特別的現象：不同發光波長的量子效 率也會有所不同，波長 1.26μm 附近者為 50%，波長 1.2μm 附近則 變為 70%。

封裝好的元件做高電流測試，發現兩波長中間的凹陷最小時為 4.4dB，將來對長晶條件再做調整，減小兩發光波長的波長差，增加 量子點大小的不均勻度，皆有助於減少中間凹陷的程度，當此凹陷低 於 3dB，頻寬非常有機會超過 50nm，成為寬頻的雷射光源。

在低溫的量測中，我們觀察到負特徵溫度的現象，且當溫度降低 時，起始電流附近的發光波長切換至較短的波長，這兩個現象皆可用 低溫時非準平衡特性做完整的解釋。

在文檔中 多層調變量子點雷射之研究 (頁 38-69)