Rn727 三層量子井雷射

Chapter 4 實驗結果與討論

4.2 實驗結果分析

4.2.3 Rn727 三層量子井雷射

4.2.4 反射率分析計算

4.2.5 Rn727 比較分析

4.2.6 Rn913 七層量子點雷射

As cleaved 雷射分析

DBR/DBR 雷射分析

As cleaved 雷射分析

As cleaved/DBR 雷射分析

DBR/DBR 雷射分析

臨界電流密度比值法

出光比例比較法

微分量子效率倒數截距比值法

As cleaved 雷射分析

DBR/DBR 雷射分析 L-I-V 圖比較

臨界電流密度與特徵溫度對共振腔長度比較

頻譜圖比較

模態增益與共振腔長度比較

1/  _d

L

1/  _i ^slope

ⁱ

^ln(

ⁱ

¹ ⁾

R



 



4.2.1 雷射特性與參數萃取:

在製作 DBR 雷射之前，我們藉由自然劈裂鏡面的雷射萃取其雷射參數。分別量測不同長度的雷射 L-I-V 及頻譜(Spectrum)，我們可從臨界電流(I_th)及斜率效率(_s)，求得微分量子效率(differential quantum efficiency, _d)，並取其倒數對不同的雷射共振腔長度作圖。如圖所示。此直線在 L=0 的截距即為1/_i，而此直線的斜率即為 i^/



i^{ln(1/ )}R



，其中 R 為劈裂鏡面的反射率。藉由這種參 數分析，我們可以得到雷射結構的αi以及ηi，進而判斷此半導體雷射磊晶結構頇改善的方向。

圖 4-2-1.1 1/ηd對共振腔長度 L 作圖圖 4-2-1 實驗分析樹狀圖

4.2.2 Rn640 單層量子井雷射

A.Rn640 單層量子井雷射(自然劈裂鏡面):

我們把雷射分別劈裂成五種不同的長度並萃取其雷射參數，由圖 4-2-2.1 我們可以知道雷射的起始電流和斜率效率，進而計算出雷射的外部量子效率，外部量子效率倒數對共振腔長度做圖後，從擬合的直線和外部量子效率倒數的截距，

求出內部量子效率 ηⁱ為 0.70，擬合直線的斜率可以求出內部損耗 αⁱ為 4.41(cm^-1)，由g_𝑡𝑕 = 𝛼_𝑖 +_2𝐿¹ ln (_𝑅¹

1𝑅2)得到不同共振腔的增益，利用模態增益對臨界電流密度作圖，擬合不同共振腔長度的模態增益，可以得到雷射的飽和增益與透明電流密度，當共振腔寬度為 20µm 時，飽和增益與透明電流密度分別為 34cm^-1 與 176(A/cm²)。

將萃取出的雷射基本參數整理成表格後如下:

Rn640 λ (nm) αi (cm^-1) ηi gsat(cm^-1)

QWLD 961 4.41 0.70 34

圖 4-2-2.7 為臨界電流密度與共振腔長度作圖，我們亦可發現當共振腔長度減少時，臨界電流密度會上升。主要的原因是短的共振腔其鏡面損耗較大，臨界增益較高，臨界電流載子密度也因此提升。當損耗接近飽和增益時，容易逃脫主動層而產生漏電流，因此更短的共振腔所需要的臨界電流密度就會更多。

表 4-2-2.1 Rn640 雷射基本參數

47 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V)

Current (mA) L0750

Power (mW)

950 955 960 965 970

-40

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 45.0mA 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V)

Current (mA) L0500

Power (mW)

950 955 960 965 970

-40

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 065.0mA

097.5mA 130.0mA

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 1.0

Cavity length (um) Rn640_QWLD _1-layer 20^oC

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

0 200 400 600 800 1000 1200

Rn640_QWLD _1-layer W:20um,20^oC

Sat. gain 34cm^-1

J_tr = 176A/cm² gmod (1/cm)

modal gain (1/cm)

Jth(A/cm²)

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 200

500 Rn640_QWLD _1-layer

W:20um,20^oC

Jth(A/cm2 )

L (um)

500 Rn640_QWLD _1-layer W:20um,20^oC

Jth(A/cm2)

1/L (1/cm)

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) 500um 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Voltage (V)

Current (mA) 150um

Power (mW)

圖 4-2-2.9 較長共振腔之 LIV 圖 4-2-2.10 較短共振腔之 LIV 表 4-2-2.2 Rn640 理論模距

955 960 965

-80 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 20mA

40mA

950 955 960 965

-60 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 25mA

50mA

880 885 890 895 900

-80 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 50mA

60mA

870 880 890 900 910

-90 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 40mA

50mA

圖 4-2-2.11 共振腔長 500µm 之 Spectrum 圖 4-2-2.12 共振腔長 200µm 之 Spectrum

圖 4-2-2.13 共振腔長 75µm 之 Spectrum 圖 4-2-2.13 共振腔長 50µm 之 Spectrum

50 10us/1ms (duty cycle=1%)

Voltage (V)

Current (mA) L0500um

L0750um L1000um L1250um L1500um

Power (mW)

996 998 10001002100410061008101010121014 -50

20 Rn727_QWLD_3-layers W = 10um L=500um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) I=

Intensity (dB)

Wavelength (nm) 025mA

51 10us/1ms (duty cycle=1%)

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) L250um

L300um L400um L500um

995 1000 1005 1010

-45 10us/1ms (duty cycle=1%) I= 15mA

30mA

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

0 50 100 150 200 250 300

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) L0500um

L0750um L1000um L1250um L1500um

0 10us/1ms (duty cycle=1%)

1000 1002 1004 1006 1008 1010

-55 10us/1ms (duty cycle=1%) I=

Logarithmic Intensity (a.u)

Wavelength (nm) 50mA

60mA

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1.0

10us/1ms (duty cycle=1%) W: 20um

W: 10um 1/D

Cavity length (um)

0 200 400 600 800 1000

Rn727-QWLD 3-layers W:10um,20^oC

Sat. gain over 100cm^-1

Jtr = 367A/cm² gmod (1/cm)

modal gain (1/cm)

J_th(A/cm²)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 400

Rn727-QWLD 3-layers W:10um,20^oC

Jth(A/cm2)

L (um)

Jth(A/cm2)

1/L (1/cm) J_th(A/cm²)

Rn727-QWLD 3-layers W:10um,20^oC

圖 4-2-3.3 較短共振腔之 LIV W10µm 圖 4-2-3.4 較短共振腔之 Spectrum W10µm

圖 4-2-3.5 較長共振腔之 LIV W20µm 圖 4-2-3.6 較長共振腔之 Spectrum W20µm

圖 4-2-3.7 1/ηd對 L 作圖圖 4-2-3.8 W10µm 之飽和增益圖

圖 4-2-3.9 Jth對 L 作圖圖 4-2-3.10 Jth對 1/L 作圖

B.Rn727 三層量子井雷射(1-DBR 鏡面):

利用自然劈裂鏡面的雷射萃取出參數後，接下來我們將以 Rn727 比較單邊 DBR 鏡面與兩邊皆 DBR 鏡面的雷射其雷射特性與分析。其中單邊 DBR 鏡面的雷射另一端亦為自然劈裂鏡面(R=0.32)，量測過程皆由自然劈裂鏡面端進行量測，以下簡稱 1-DBR 雷射(As cleaved/DBR 雷射)。

1-DBR 雷射增加了單邊鏡面的反射率，鏡面損耗下降，因此臨界電流下降。

由 L-I-V 圖可發現當共振腔長低於 100µm 後，損耗增大開始接近飽和增益，這時產生漏電流的機率漸增，導致臨界電流愈來愈大，斜率效率隨著灌進的電流增加慢慢變小。最短的共振腔長為 50µm，臨界電流為 15.92mA。最小臨界電流發生於共振腔長為 100µm，為 9.26mA。下表列出各共振腔長之臨界電流。

cavity(µm) 450 350 250 200

Ith(mA) 17.53 14.21 10.72 9.867

cavity(µm) 150 100 75 50

Ith(mA) 9.92 9.26 9.97 15.92

圖 4-2-3.14 可以發現，由於共振腔長愈短，電流載子密度上升，必頇填至較高的能態，因此當共振腔長度縮減時，波長會有藍移的現象。圖中亦可發現，

當共振腔長度縮減至 50µm 時，其臨界電流載子密度太高，藍移的現象更為明顯。

表 4-2-3.2 1-DBR 雷射各共振腔長度之臨界電流

Power (mW)

Voltage (V)

Current (mA) 450um 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave

990 995 1000 1005 1010

-50 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave

450um-19mA 350um-14mA 250um-12mA 200um-10mA

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150

Power (mW)

Rn727_QWLD_3-layers W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave 150um

100um 075um 050um

Voltage (V)

Current (mA)

965 970 975 980 985 990 995 1000 1005 1010 -50

150um-13mA 100um-9mA 075um-19mA 050um-19mA Rn727_QWLD_3-layers

W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) 1-DBR&1-cleave

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

C.Rn727 三層量子井雷射(DBR 鏡面): 用頻譜分析確認後，研判應為製程的不均勻，使得主要模態(main mode)變換時，

光強呈現不連續的現象。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120130140150 0

Power (mW)

Rn727_QWLD_3-layers W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

500um 400um 300um 250um 200um

Voltage (V)

Current (mA)

990 995 1000 1005 1010

-70 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

500um-20mA 400um-17mA 300um-13mA 250um-12mA 200um-12mA

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Power (mW)

Rn727_QWLD_3-layers W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Voltage (V)

Current (mA)

0.0

990 995 1000 1005

-60 -50 -40 -30

150um-8mA 100um-10mA 075um-8mA 050um-7mA 030um-7mA Rn727_QWLD_3-layers

W = 10um, 20^oC 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Intensity (dB)

Wavelength (nm)

接下來我們做了變溫的量測。由圖 4-2-3.19 至圖 4-2-3.26 可知，當操作溫度愈高，臨界電流密度愈高，內部量子效率也會愈低。共振腔長度越長，其特徵溫度越大，對溫度敏感性越低，其原因為當共振腔越長時，鏡面損耗越低，所需要的增益較小，所以 thermally escape 損失的載子並不會對增益造成嚴重的影響，因此不需要增加大量的電流來補充載子增加增益。下表即可驗證，隨著共振

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

5.9 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

6.3 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

6.8 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

Voltage (V)

Current (mA)

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Power (mW)

290 300 310 320

7.4 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

ln(Jth)

285 290 295 300 305 310 315 320 325

994

1016 Rn727_QWLD_3-layers 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

Peak Wavelength(nm)

T(K)

995 1000 1005 1010

0.0 10us/1ms (duty cycle=1%) DBR Laser

15C-7mA 35C-9mA 20C-7mA 40C-10mA 25C-8mA 45C-10mA 30C-8mA 50C-11mA

Intensity (a.u)

Wavelength (nm)

(dλ

在文檔中深蝕刻布拉格反射鏡之邊射型微共振腔半導體雷射 (頁 56-69)

Chapter 4 實驗結果與討論

4.2 實驗結果分析

4.2.3 Rn727 三層量子井雷射

1/  d

L

1/  i slope

ln(

1 )

R



 







1/  _d

1/  _i ^slope

^ln(

¹ ⁾