行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
超高速光纖通訊用長波長雷射二極體之研發
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2215-E-151-002- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 施天從 計畫參與人員： 曾泰富, 李健發 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
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成 果 報 告
□期中進度報告
超高速光纖通訊用長波長雷射二極體之研發
計畫類別：
個別型計畫
□ 整合型計畫
計畫編號：NSC 93－2215－E－151－002－
執行期間：
2004 年
08 月
01 日至
2005 年
07 月
31 日
計畫主持人：施天從
共同主持人：無
計畫參與人員： 曾泰富、李健發
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
精簡報告
□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
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處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立高雄應用科技大學電子工程系
中文摘要 我 們 利 用 熱 效 應 極 佳 的 砷 化 鋁 銦 鎵 (AlInGaAs) 材 料 ， 並 採 用 應 力 層 量 子 井 (Strained MQW)，先以雷射模擬軟體(LaserMod)對結構中各層的參數進行最佳化設計，接著以有機 金屬化學氣相沉積系統(MOCVD)成長磊晶片，再進行半導體製程製作出可高速操作的分佈 回饋式單頻(DFB)雷射二極體。本雷射二極體特性之直流特性佳，在操作範圍內均可保持單 頻發光的特性，其起振電流為 10mA、發光效率為 0.4W/A 且邊模抑制率(SMSR)達 35dB 以 上。交流特性可符合 10Gb/s 乙太網路(Ethernet)傳輸規範之要求，小訊號調變頻寬可達 15GHz，傳輸眼圖餘裕度並高達 47%。本雷射二極體之開發時程與達成之性能規格均符合 預定計畫，執行成效良好。 Abstract
Strained AlInGaAs multiple quantum well was adopted here to fabricate a 10Gb/s DFB laser. We utilized LaserMod (commercial software) to simulate the behavior of laser diodes and optimized the layer structure accordingly. Then, the epiwafer was grown by MOCVD technology and was fabricated into DFB laser diodes by semiconductor process. The CW performance of this DFB laser is good, threshold current is 10mA, the slope efficiency is 0.4W/A, and the side mode suppression ratio maintains above 35dB. Besides, the RF performance can meet the requirement of 10Gb/s Ethernet standard, the small signal modulation bandwidth can achieve 15GHz and the eye mask margin is as high as 47%. The development of this 10Gb/s DFB laser meets all the requirements of original plan and gains a good result.
Key words Semiconductor laser、optical communication components
前言 對於現今科技的生活而言，高速度的資料傳輸可以說是相當重要的一環，無論是在網際網 路資料的存取，或是影音和多媒體的傳輸上都時常應用得到。 另外對於寬頻網路的架設， 光纖到家(Fiber-To-The-Home)的計畫被認為將會是未來所追求的一個趨勢。 隨著這樣一個 寬頻網路時代的來臨，為了使主控中心能在光纖到家網路與骨幹電信網路之間作傳輸轉 換，其介面傳輸速度必須達到 10Gb/s 才能滿足未來需求。 因此如果能製作出一個低成本 的 10Gb/s 雷射光源，以應用於都會區光纖網路的傳輸，則將有助於前述應用的普及。 目 前本研究課題已經是一個引起外界相當注意的焦點，歐美日各大研究機構與公司莫不競相 投入研發[1-4]。 針對此研究方向，我們應用砷化鋁銦鎵材料作為雷射的發光層，由於它具 有相當大的傳導帶能階差，因此它能有效的抑制電子於高溫時溢流現象的發生，所以利用 這樣的材料來製成雷射，在高溫時能表現出極佳的效應。 除此之外微分增益(differential gain)對於高頻調變頻寬是一個重要的影響因素，微分增益主要是指介於注入量子井的電子 和發射出光子之間的轉換效益，此轉換效益對於鬆弛震盪頻率的大小影響極深，我們所採 用的砷化鋁銦鎵由於它的微分增益相當大，所以它所對應的調變頻帶也是相當的寬。 綜合 上述絕佳的溫度特性以及極佳的本質響應(intrinsic response)，應用砷化鋁銦鎵此種材料會是 一個主要的趨勢。 本篇報告主要是在描述此應力層量子井砷化鋁銦鎵分佈回饋式單頻雷射 的設計製作與特性結果。 此雷射具極佳的發光特性，在操作範圍內均可保持單頻發光的特 性，其起振電流為 10mA、發光效率為 0.4W/A 且邊模抑制率(SMSR)達 35dB 以上。 傳輸 特性可符合 10Gb/s 乙太網路(Ethernet)傳輸規範之要求，小訊號調變頻寬可達 15GHz，傳輸 眼圖餘裕度並高達 47%。 本雷射二極體之開發時程與達成之性能規格均符合預定計畫，執 行成效良好。
雷射結構模擬與設計 此雷射結構成長於 n 型的磷化銦晶圓上，其中主動層方面包含七個有摻入壓縮型應力的砷 化鋁銦鎵量子井，而在能障層方面則是採用應力補償的方式摻入伸張型的應力層。 主動層 的兩旁則是採用一對稱性的折射漸變的波導層(GRIN-SCH). 最上層則為磷化銦間隔層與由 砷磷化銦鎵材料所組成的的光柵層。 為充分了解本結構特性，我們以最簡單的 FP 雷射結 構為模擬對象。 以一個 250 微米長的 FP 雷射二極體而言，其各個不同溫度下的發光曲線 如下圖一所示，當雷射操作在 25o C 時其臨界電流和斜率效應分別為 12mA 和 0.258mW/mA， 而當操作溫度提高為 85o C 時,其臨界電流和斜率效應則分別為 25mA 和 0.16mW/mA。 圖一、雷射的模擬 L-I 曲線 圖二是當雷射輸出功率是 1mW 與 9mW 時的光脈波波形。 從圖二我們可發現，當一輸出 功率越趨近一穩定狀態時都會有一脈衝震盪的現象，且震盪振幅隨功率上升而變小，此乃 因為當雷射裝置操作於低功率輸出時其載子密度剛達臨界值時，此時的震盪現象是由主模 態和旁模態所混合引起的，但隨著功率的加大時，則會逐漸只剩主模態的震盪，故震盪振 幅會隨功率而改變，此即為鬆弛震盪現象。 此震盪現象的改善可藉由加大此雷射裝置的阻 尼因子以避免誤碼率增大的不良效應。 圖二、不同輸出功率時的光脈波圖，(a) 輸出功率=1mW，(b) 輸出功率=9mW (a) 輸出功率=1mW (b) 輸出功率=9mW
共振頻率(fr)值是影響雷射調變頻寬的重要因子，共振頻率值和微分增益成正比，其關係式 如下式： 通 常 若 要 此 雷 射 能 夠 操 作 於 10Gb/s 的 傳 輸 速 度 下 其 共 振 頻 率 至 少 要 大 於 8GHz 。 在室溫時頻率響應的模擬上，我們則計算出當此雷射輸出功率分別為 1mW、4mW、9mW、16mW 以及 25mW 時所對應的小訊號調變頻寬，結果如圖三所示。其對應的小訊號調變頻寬分別 為 7.1GHz、12.8GHz、16.4GHz、18.6GHz 以及 19.6GHz，其調變頻寬隨著功率的加大而變 寬，直到趨近於飽和狀態後調變頻寬不再隨功率的變化而改變。 此乃因阻尼因子= kfr 2， 隨功率上升而引起的阻尼現象所引起的。 圖四為此雷射配合圖三所所得到的共振頻率與調 變電流的關係,其調變效率可達 2.54GHz/(mA)0.5 。 圖三、不同輸出功率時的頻率響應圖 圖四、共振頻率 fr與調變電流的關係 另外,我們也計算出雷射於室溫時的遠場分佈圖。其水平發散角和垂直發散角分別為 28o和 34o，結果如圖五所示，而此模擬結果也相當接近於實際所做雷射裝置的發散角。 圖五、雷射遠場分佈圖，(a)水平方向，(b)垂直方向 ) ( 2 1 th act w w g r I I L W d eN dn dg v f
雷射製作 以砷磷化銦鎵為材料的光柵層是成長於活性層的上方，而此均勻光柵主要是利用全像曝光 的技術製成。 另外布拉格波長是調整在材料增益峰值處偏向較短波長的一邊，其主要的原 因乃是為了加強此雷射的本質響應特性。 但是須注意的是布拉格波長假如離材料增益峰值 的偏移量過大的話，在高溫操作時可能會導致此雷射無法持續維持發射單一輸出波長的特 性。 當完成光柵的蝕刻以及有機金屬氣相磊晶(MOCVD)的再次磊晶之後，此晶圓則完成 磊晶製程，可以進行接下來的半導體製程。 為了達到最佳的製程控制以及簡化製程的目標，我們採用脊狀波導(Ridge waveguide) 的結構，其中脊狀波導的寬度為 1.8um，係利用混合式的半導體蝕刻技術所製成。 在完成 一般性絕緣薄膜材料的沉積、自我對準的製程、金屬電極的蒸鍍、晶圓的薄化程序處理以 及退火處理後，此晶圓被劈裂形成雷射長條(Laser bar)，其光腔長度為 200um。 而為了達到 極佳的本質響應表現，雷射裝置的光腔長度應該是儘可能的製作較短些。 但是過短的光腔 長度可能會導致增益飽和的現象發生，相關的雷射特性將會產生退化。 為製造出能達 10G/s 的傳輸速度的雷射，一般較常使用的光腔長度為 250um 或是 200um。 另外為提高製作良 率與改善雷射特性，我們在雷射的兩個端面分別鍍上抗反射膜以及高反射膜。 最後一道程 序就是將這長條狀切成晶粒，隨後藉助於雷射晶粒測試系統，我們可以量測出雷射的特性， 完成後的雷射晶粒照片如圖六所示。 圖六、雷射晶粒的外觀
結果與討論 此雷射的光發射特性曲線如圖七所示，我們分別在 35o C 與 85oC 量測四顆雷射的發光特性 曲線。 一般光傳輸模組大都只應用於 85o C 以內，因此本雷射足敷使用。 在室溫時所量測 到的臨界電流和斜率效應分別為 10mA 和 0.4mW/mA，而當操作溫度到達 85o C 時，其臨界 電流為 20mA 以及斜率效益為 0.3mW/mA。 這樣一個極佳的光發射特性的表現，將使得調 變電路的設計上簡易了很多。 圖七、雷射的 L-I 曲線 在一相當大的操作溫度範圍內,並且從臨界電流以及最大的光輸出的觀點來看，本雷射均能 維持著極佳的單一波長發光的特性，其邊模抑制率超過 35dB。 圖八即展示了此雷射裝置 當分別操作在 25o C 以及 85oC 時的光發射頻譜圖，其中偏壓電流的設定為臨界電流加 20mA，其發光波長的峰值在室溫與 85oC 時分別為 1306.8nm 與 1311.2nm。 圖八、雷射在室溫(圖左)與 85o C(圖右)時的發光頻譜
圖九、10Gb/s 的背對背傳輸濾波眼圖
總結而言，配合現存的較低速的雷射製作技術和材料，我們製作完成了一個符合 10Gb/s 乙 太網路傳輸規格的 10Gb/s DFB 雷射，相信以該雷射優異的傳輸特性必可在日後的都會區光 纖網路或相關應用上扮演一個重要的角色。
參考文獻
[1] K. Nakahara, et al. “1.3um InGaAlAs directly modulated MQW RWG DFB lasers operating over 10Gb/s and 100oC”, in Proc. OFC ’04, ThD1, 2004.
[2] H. Debregeas-Sillard, et al. “Low-cost coolerless 10Gb/s integrated laser-modulator”, in Proc. OFC’04, ThD4, 2004.
[3] Takashi Kondo, et al. “Isolator-free, unclloed operation of highly strained 1.1 um GaInAs/GaAs vertical cavity surface emitting laser for 10Gb/s single mode fiber data transmission”, in Pro. OFC’04, ThD6, 2004.
[4] Kiyohide Sakai, “1.3um uncooled DFB laser-diode module with a coupled differential feed for 10Gb/s Ethernet applications”, IEEE J. lightwave technology., Vo. 22, pp. 574, 2004.
計畫成果自評 本計畫達成狀況良好，藉由本計畫，本校建立起雷射結構模擬、光電元件製程與雷射量測 之能力。所開發完成之高速雷射二極體，其特性符合原定規格，其量化表列如下： 特性項目 原定規格 完成規格 執行狀況 起振電流 <30mA 10W/A 通過 發光效率 >0.2W/A 0.4W/A 通過 發光波長 1310±20nm 1306nm 通過 調變頻寬 >10GHz 15GHz 通過 對於參與之研究人員，預期可獲得研發雷射二極體之完整經驗，包含從雷射結構模擬計算 到材料磊晶成長、半導體製程技術到動態特性量測等技術，對培養國內研究或製造能力均 有極大幫助。
