第四章 半導體環型單輸出雷射特性量測
4.1 L-I 量測系統
第四章 半導體環型單輸出雷射特性量測
4.1 L-I 量測系統
藉由量測雷射輸出的特性曲線(L-I 圖)可以得到半導體雷射中臨界電流 (threshold current)。光功率-電流量測系統架構如圖 4.1，利用脈衝產生器(型號：
HP8114A)作為環形雷射驅動裝置，提供脈衝電壓晶由探針將電流注入雷射晶片 (如圖 4.2)，再串連1Ω電阻轉換出電壓訊號，並經由示波器(型號：Tektronix TDS2024)讀取訊號。雷射晶片發出的光經由透鏡聚焦至光偵測器輸入端，再將 訊號連接至示波器讀取。整套系統藉由 GPIB 與電腦連線，再利用 Labview 程式 控制脈衝產生器和示波器，並擷取示波器量測的數據，最後使用繪圖軟體(Origin) 繪出 L-I 圖。
圖 4.1 L-I 量測系統架構
圖 4.2 探針座
42 4.2 光譜量測系統
利用脈衝產生器(型號：HP8114A)經由探針直接接觸元件的電極(p-metal)輸 入電流，其發出的光再經由透鏡聚焦在多模光纖接頭輸入端，將光信號傳送至光 譜分析儀(型號：Triax550)(如圖 4.3)，再透過光譜儀專用電腦軟體(SpextraMax) 擷取光譜分析的資料，並使用繪圖軟體(Origin)繪出光譜圖。
圖 4.3 光譜量測系統架構
圖 4.4 光譜儀(Triax550)
43 4.3 環型雷射量測結果
本實驗測量的樣本脊狀波導蝕刻高度約為1.1μm，接著將會針對值線波導 端(A 端)和非直線波導端(B 端)的光譜特性、L-I 特性曲線的測量結果作討論。
圖 4.5 為環型單輸出雷射晶片模型及相關尺寸代號，其中𝐿1為波導端(A 端)長 度，𝐿2為非波導端(B 端)長度，R 為環型共振腔直徑。
圖 4.5 環形單輸出雷射晶片模型(左)及平面圖(右)
Sample(a)為環型共振腔直徑1000μm、波導端長度為1500μm、非波導端長度 500μm的單輸出波導雷射(如圖 4.6)。從 L-I 圖(如圖 4.7)中可以發現波導端與 非波導端的雷射輸出特性曲線在形狀上呈現互相對稱，根據推斷此現象及有可能 為四波混頻的共軛反射機制造成在非波導端產生一與波導端相對應的直線型波 導，使其兩端輸出曲線形狀類似，但輸出功率明顯為非波導端較強，其可能是因 為波導端輸出鏡面將一部分光子反射至非波導端輸出，雖然非波導端實質上不具 有硬體共振腔，但大部分光子仍因光學克爾效應(本文 2.8 小節)產生的自聚焦效 果，令非波導端也能有一定的雷射功率輸出，再加上波導端鏡面反射光子的加成，
最後形成了此輸出特性曲線的結果。
R
𝐋𝟐
𝐋𝟏
𝟏. 𝟏𝛍𝐦 R
A B
𝐋𝟐 𝐋𝟏
44
45
653 654 655 656 657 658 659 660 661 0
46
653 654 655 656 657 658 659 660 661
0
47
654.0 654.5 655.0 655.5 656.0 656.5 657.0 657.5 658.0 658.5 659.0 0
48
654.0 654.5 655.0 655.5 656.0 656.5 657.0 657.5 658.0 658.5 659.0 0
49
此外，上圖 4.12 和圖中可觀察到非波導端光譜在656.0nm位置出現較明顯 的縱模態譜線，其模態間距約為0.137nm，若利用本文第二章中的式 2-20：
∣ ∆λ ∣≅ 𝜆2 2𝐿 × 𝑛𝑒𝑓𝑓
其中將縱模態波長𝜆 = 656nm，非波導端長度𝐿 = 500𝜇𝑚，𝑛𝑒𝑓𝑓 = 3.2帶入後得到 的∆λ ≅ 0.134nm，與實際上的數據非常接近。
Sample(b)為將單輸出波導環型雷射的直線波導破壞後的晶片(如圖 4.15)，
其 L-I 測量圖(如圖 4.16)中可以發現，當波導端無法提供半通透反射鏡面時，非 波導端輸出功率大幅降低，從波導端光譜圖(如圖 4.17)可觀察到仍有強度較高 的波段，其可能為環型共振腔產生的泵浦波，但不完整的直線形波導仍會產生 LED 光源，故無法清楚觀測雷射波峰，而非波導端光譜圖(如圖 4.18)中無法判 讀出明顯的雷射峰值，僅有強度偏低的大範圍波段，故推測若要達到四波混頻的 效果，必須擁有一定長度且具反射鏡面的直線形波導。
圖 4.15 Sample(b)破壞後的環型雷射結構圖
50
650 652 654 656 658 660 662 664
0
51
654 656 658 660 662 664 666 668 670
1400
52
第五章 結論與未來展望
5.1 結論
本實驗主要探討單輸出波導環型雷射之光學非線性特性，經由許多實驗樣本 的數據整理並分析其模態之後，發現環形共振腔可以有效激發量子井材料的光學 非線性效應，搭配直線形共振腔的直接耦合，便可創造出與一般雷射二極體輸出 截然不同的輸出特性。
透過量測樣本的 L-I 特性曲線與光譜分析，發現除了波導端外，非波導端也 同樣具有雷射輸出，因此我們假設了四波混頻模型與共軛光輸出理論，藉由實驗 數據的驗證使得順時鐘與逆時鐘方向光波為泵浦波、直線形波導輸出探測波、非 波導端出現共軛波等假設得到了合理的解釋，然而結合克爾效應所產生的光學自 聚焦效果後，使新產生的非波導端雷射輸出特性不亞於擁有實體波導結構的輸出 端；有了破壞直線波導後的環形雷射樣本量測結果做為對照，四波混頻理論模型 的架構更趨完整。
雖然理論模型已得到一定程度的支持，但目前較缺乏不同長度的波導與非波 導端或不同直徑大小的環型共振腔樣本數據做驗證，此外，波導端半通透的鏡面 反射率及能量平衡仍然是值得探討的部分。
5.2 未來展望
實驗上希望可以由多樣化的晶片尺寸以建立更穩固的理論佐證，而後便可 以四波混頻模型的基礎設計出更多類型的環型雷射結構，以達到各種需求及目 的，或許有朝一日能將該理論架構設計出的雷射晶片應用於光纖傳輸、光偵測 器等製做出實用性的光學整合元件。
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參考文獻
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