半導體雷射之鎖模與載體動態

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

半導體雷射之鎖模與載體動態

Mode-Locking and Car r ier Dynamics of Semiconductor Laser s

計畫編號：NSC 89-2112-M-002-034

執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日

主持人：林清富 台灣大學光電工程研究所

計畫參與人員: 吳秉叡、陳敏璋、李柏霖、陳耕兆、林清富

台灣大學光電工程研究所

一、中文摘要 本研究探討鎖模技術及開發新的寬頻 半導體雷射材料，以提升鎖模半導體雷射 的特性。鎖模技術上，我們使用主動鎖模 和自我混成鎖模。主動鎖模上達到脈衝寬 度 10-15ps，波長調變範圍達 62 nm，而自 我混成鎖模可使用 RF 調變，其頻率是雷射 腔頻率的一半。利用此技術，可在適當的 調變下使增益元件載子濃度達到透明濃度 以下，而倒轉為可飽和吸收體，不需要額 外使用一個可飽和吸收體，就可以同時產 生主動鎖模與被動鎖模的機制。利用自我 混成鎖模可以產生的脈衝寬度可以短至 2ps 。 在 開 發 新 材 料 方 面 ， 我 們 研 製 出 InGaAsP/InP 半導體光放大器，頻寬可接近 300nm。 關鍵詞：自我混成鎖模、鎖模、半導體雷 射、半導體光放大器 Abstr act

This project studies mode-locking techniques for semiconductor lasers and develops new semiconductor materials for better mode-locking performance. In the mode-locking techniques, we use active mode-locking technique for short-pulse generation and develop new technique, named self-hybrid mode-locking. Using active mode-locking technique, we achieve the generation of 10-15 ps short pulses with the tuning range of 62 nm. For self-hybrid technique, RF modulation at the subharmonic of pulse repetition frequency is used. By suitable biasing condition, the carrier density

inside the gain media can be lower than transparency carrier density, and the gain medium will turn into a saturable absorber. Both active and passive mode-locking mechanisms operate in the same gain region without the necessity of additionally integrated absorbers. Self-hybrid mode-locking can generate pulses as short as 2 ps. In the material development, we had fabricated semiconductor optical amplifiers with the bandwidth nearly 300 nm..

Keywor ds: Self-hybrid locking,

mode-locking, semiconductor laser, semiconductor optical amplifier

二、計畫緣由與目的 由於短脈衝雷射在寬頻通信上及物理 量測上有廣泛的應用價值，使得短脈衝的 研究長期以來吸引許多研究者的興趣。產 生雷射光短脈衝的方式，一般歸類為以下 幾種方式：增益切換、主動鎖模、被動鎖 模與混成鎖模。比起增益切換，採鎖模的 方式可以產生較短的雷射脈衝。比較上述 三種鎖模方式的優點，被動鎖模能產生最 短的雷射脈衝，而主動鎖模能產生時間抖 動最少的脈衝，混成鎖模則兼顧上述兩種 優點，能產生相當短且時間抖動極微小的 雷射光脈衝1_{。雖然混成鎖模有許多特別的} 優點，它需要相當複雜且特殊設計的元件 才能成功的達成混成鎖模。混成鎖模使用 之典型的元件都是多段、多電極的元件 2,3_{。與他鎖模方式相比，混成鎖模相對上} 是較困難與複雜的。本計畫中，我們使用 主 動 鎖 模 在 新 開 發 的 AlGaAs/GaAs 材 料 上，此材料應用不同寬度多重量子井，可

2 使半導體雷射之增益頻寬提高甚多，所以 使得主動鎖模達到脈衝寬度10-15ps，波長 調變範圍達62 nm。另外，我們也提出一種 新奇的鎖 模技術，稱為自我混成鎖模。自我混成鎖 模只需使用一般普通的雷射放大器，透過 適當的偏壓與RF調變，放大器本身便會自 我產生混成鎖模所需的飽和吸收體，而不 再需要使用複雜且特殊設計的元件。此 外，我們也應用不同寬度多重量子井的技 術，在仔細考慮載體動態後，設計並研製 出頻寬將近300nm的InGaAsP/InP半導體光 放大器，對鎖模技術的進一步發展將有幫 助，且此半導體光放大器的頻段涵蓋1.3µm 到1.55µm，是通訊上的有用波段，對未來 通訊上光脈衝的放大、修正等處理也有助 益。 三、結果與討論 自我混成 鎖模的 技術和主 動鎖模 類 似，是由主動鎖模技術演化而來。主動鎖 模技術的原理如圖一（a）所示。RF的調變 頻率須與脈衝的重複率相同，脈衝在放大 器內由最大增益處發出，經雷射腔返回放 大器時，脈衝中心與增益的峰值再次疊 合，使中心處受增益放大的效果比脈衝邊 緣強烈。因此在數百回共振後，可產生短 脈衝。 自我混成鎖模的操作與主動鎖模 相 似，但直流偏壓位準與RF調變頻率不同。 自我混成鎖模的原理如圖一(b)所示。RF調 變頻率是脈衝重複率的一半。當元件偏壓 在增益峰值時，脈衝由放大器發出，經雷 射腔返回放大器時，脈衝遇到增益谷值。 透過適當的偏壓條件，可以將增益谷值變 成飽和吸收體。增益峰值如同主動鎖模 般，可以壓縮脈衝。增益谷值則如同被動 鎖模般，亦可以壓縮脈衝。此種操作的方 式與概念與傳統使用半頻率調變的雷射系 統是完全不同的。結合這兩種效應，混成 鎖模可以自我生成，並產生較短且較無時 間抖動之短脈衝。 在主動鎖模中，調變頻率對鎖模脈衝 有相當大的影響，所以能產生良好的鎖模 脈衝之頻率範圍頗窄，圖二所示是頻率對 光脈衝之影響。 圖二：在不同頻率下鎖模脈衝之自相關 圖。 因為我們用的半導體雷射材料具有世 界紀錄的增益頻寬，因此可以產生鎖模脈 衝的波長範圍極廣，圖三所示是鎖模脈衝 在改變波長中的鎖模條件。圖四是鎖模脈 衝在改變波長中的特性，我們可以發現， 脈衝寬度約可維持在10-15ps，波長可調範 圍可達62nm，事實上，適當改變鎖模條件， 波長可調範圍仍可更寬。 在自我混成鎖模中，適當的偏壓條件 是成功之重要因素。要產生自我混成鎖模 有三個重要的條件要滿足。第一個是前述 的調變頻率，需是脈衝重覆率的一半。第 二個條件是Idc-Imod<Itr，其中Idc是直流電 Dc bias loss Dc bias loss Transparency level 0 T 2T 3T 4T t 0 T 2T 3T 4T t (b) self-hybrid mode-locking

(a) active mode-locking

modulation Pulse train Pulse train modulation SA G 圖一：(a)主動鎖模與(b)自我混成鎖模的操 作偏壓方式與時間關係圖。G 是增益，SA 為 可飽和吸收體。 0 1 2 3 25.7 ps 31.7 ps 31.8 ps 26.5 ps S H G i nt ensi ty 885.8MHz 885.9MHz 886.0MHz 886.1MHz -60 -40 -20 0 20 40 60 Delay (ps)

3 偏壓電流，Imod是RF調變電流，Itr為透明 800 820 840 860 0 30 60 90 120 150 lasing threshold dc bias C u rr e n t ( m A ) Wavelength(nm) 884 885 886 887 RF frequency _R F f re q u e n c y (M H z) 圖三:鎖模脈衝在改變波長之鎖模條件。 圖四: 鎖模脈衝在改變波長中的特性。 電流。每一個調變週期中，脈衝會有兩次 行經放大器。一次會遇到增益峰值Gmax， 另一次遇到增益谷值Gmin。Gmin必須是個 飽和吸收體才能產生自我混成鎖模。所以 Gmin的偏壓電流Idc-Imod應在透明電流Itr 的位準之下。第三個條件是直流偏壓Idc> 臨界電流Ith。 實驗所用的共振腔結構和主動鎖模類 似。在實驗中，直流偏壓增加到66mA，RF 調變頻率降到401.5MHz。為了在增益谷值 處將放大器轉為可飽和吸收體，RF調變強 度需要足夠大以確保偏壓值可達透明電流 以下。在波長830nm時，量到的透明電流約 是36mA。所以調變電流需要大於30mA以 產生可飽和吸收的效果。對我們的系統而 言，在66mA直流偏壓下能產生自我混成鎖 模所需的RF功率約在-4到-5dBm之間。 測量到的脈衝寬度如圖五中所示。上 三角形的點是主動鎖模實驗的結果。在 803MHz的調變頻率下，RF功率達-1dBm 時，自相關軌跡的半高寬是26.2ps。這與我 們過去用環形共振腔做主動鎖模的結果相 類似。經由使用自我混成鎖模技術，可以 得到短很多的雷射光脈衝。在66mA的直流 偏壓時，調變功率由-7dB增加到-3dBm，自 相關軌跡的半高寬由29ps減小到15ps。在 72mA的直流偏壓時，調變功率由-5dB增加 到0dBm，自相關軌跡的半高寬由26ps減小 到16ps。最佳化之RF調變功率隨直流偏壓 的條件而變。當RF調變所產生的調變電流 大於直流偏壓與透明電流的差距，脈衝會 比傳統的主動鎖模縮短相當多。 比 較 66mA 與 72mA 的 直 流 偏 壓 的 情 形，在66mA偏壓下，當RF功率增加到-4dBm時，脈衝寬度緩緩減小到24ps，而在 72mA偏壓下，當RF功率增加到-2dBm時， 脈衝寬 度亦緩緩減小到24ps。於這區域 中，脈衝壓縮的機制主要是由主動鎖模所 提供，且與直流偏壓無明顯的相依性。進 一步增加調變功率到-3dBm，對72mA的直 流偏壓而言，增益谷值仍在透明位準以 上，但對66mA的直流偏壓而言，增益谷值 已在透明位準以下。72mA的直流偏壓之自 相關軌跡的半高寬是25ps，但66mA的偏壓 卻迅速衰減到15ps。當RF功率增到-1dBm 時，72 mA之增益谷值亦落到透明位準以 下。且脈衝寬度同時也迅速的自-2dBm時的 25ps縮短為0dBm時的16ps。在66mA的偏壓 情形中，若RF功率大於-3dBm，輸出光功 率變得非常弱，而無法量得自相關軌跡曲 線。在72mA的偏壓情形中，再增加RF功率 可使增益谷值的位準降低，並進一步壓縮 -8 -6 -4 -2 0 12 16 20 24 28 32 66mA 72mA active ML a u toco rr e la tio n w id th (p s) RF power (dBm) 圖五：自我混成鎖模所產生的自相關軌跡之 半高寬與調變功率之關係圖。 800 820 840 860 0 6 12 18 24 30 pulse width Pu lse w idth ( p s) Wavelength (nm) 0 2 4 6 8 T im e-bandw idth product( no u ni t) spectral width Time-Bandwidth product S p e ct ra l w id th (Å )

4 脈衝。為避免退化考慮，在目前的實驗中， 我們限制RF功率在0dBm以內。 自相關軌跡圖對於不同RF功率之變化 顯示於圖六。當RF功率低於-8dBm時，無 法 產 生 好 的 鎖 模 脈 衝 。 當 RF 功 率 大 於 -8dBm，脈衝始可完全地鎖模。更進一步增 加RF功率，可產生自我混成鎖模的效果， 且其半高寬迅速地縮短到14.3ps。上述實驗 中雷射的頻寬為0.22nm。在高斯近似下， 時間頻寬積為0.96，是轉換極限的2.2倍。 相較於傳統主動鎖模而言，這是一個相當 小的值。他可能是由於增益與飽和吸收體 貢獻相反的chirp所致。通常主動鎖模提供 正的chirp，而被動鎖模提供負的chirp4,5_。 所以使用自我混成鎖模技術，上述兩項效 果會使部分chirp互相抵銷。若增加頻寬至 1nm，脈衝寬度可短至2ps。 為使寬頻半導體光放大器及鎖模脈衝 可以應用在光通訊系統中，我們也研製了 涵蓋1260 ~ 1575nm的不同寬度多重量子 井結構6_{，未來將進一步探討其寬頻特性，} 如波長可調範圍，鎖模波長範圍等。 四、計畫結果自評 總結上述，我們開發了大範圍可調波 長的主動鎖模半導體雷射，脈衝寬度 10-15ps，波長調變範圍達 62 nm。也研究出一 個新的鎖模技術，稱為自我混成鎖模，利 用調變增益元件中的載子濃度而達到一個 增益元件同時扮演增益與可飽和吸收體的 角色。比起傳統主動鎖模，這技術使用較 少的 RF 調變功率與僅用一半的調變頻 率，脈衝能縮短到 2ps。比起傳統混成鎖 模，自我混成鎖模使用的元件相當簡單與 便宜，自我混成鎖模的產生來自於調變方 式的改善，因此不用像一般混成鎖模雷射 一樣使用昂貴且複雜結構的雷射。這項技 術可以降低脈衝雷射系統的費用，減少系 統的複雜度，並提高穩定度與可靠度。在 高速光通信、光資料處理、光儲存的光源 上，有無窮的應用潛力。我們也開發寬頻 半導體光放大器，其頻帶極寬，涵蓋 1260 ~ 1575nm，可以應用在光通訊系統中，使光 通訊波段完全涵蓋光纖之低耗損頻帶7_，未 來將有極大的應用潛力。 五、參考文獻

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