1
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 88-2112-M-002-038
執行期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日
主持人：林清富 台灣大學光電工程研究所
一、中文摘要 本研究使用一種全新的鎖模技術，稱 為自我混成鎖模。此項技術使用 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。在相同的雷射腔中，利用自我混 成鎖模可以產生的脈衝寬度約只有主動鎖 模所產生的一半。 關鍵詞：自我混成鎖模、鎖模、半導體雷 射 Abstr actA new mode-locking method named self-hybrid mode-locking is explored. This
method uses RF modulation at the
subharmonic of pulse repetition frequency. 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. With the same cavity configuration, self-hybrid mode-locking can generate pulses about two times shorter than the traditional active mode-locking.
Keywor ds: Self-hybrid locking,
mode-locking, semiconductor laser
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。本文中，我們提出一 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。 三、結果與討論 自我混成鎖模的技術是由主動鎖模技 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
2 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4,5 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。 適當的偏壓條件是成功產生自我混成 鎖模之重要因素。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是直流電偏 壓電流，Imod是RF調變電流，Itr為透明電 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。這與傳統的主動鎖模有相當 大的差異。主動鎖模需要降低直流偏壓的 位準到臨界電流以下，但自我混成鎖模卻 需要提高偏壓電流。直流偏壓需使Gmax與 Gmin的平均值大於損耗的位準，又因調變 電流 Imod所造成之增益減少，大於調變電 流Imod所造成之增益增加，所以直流偏壓 電流需從臨界電流Ith往上調高，以保証全 部的增益能克服損耗，且對於越強的RF調 變，需要增加越多的直流偏壓電流。 實驗所用的共振腔結構如圖二所 顯 示。增益元件為540微米的斜角脊狀波導之 超亮度雷射放大器。波導與鏡面法線夾角 七度。傾斜的波導不需要額外的抗反射鍍 膜即可將鏡面反射率降到極低6。雷射由一 個數值孔徑0.55的準直鏡準直。光柵為每毫 米1200條鍍金的繞射式光柵。光柵是用來 反射某一特定波長的光回放大器，並有頻 寬限制的功能。輸出耦合器的反射穿透比 為50 50。兩個焦距50毫米的透鏡，將光 聚焦到輸出耦合器上，並重新準直雷射 光。雷射腔的兩臂調整到長度相同。實驗 時，長度由RF調變的頻率響應來校正。兩 臂的頻率皆為是803MHz，雷射腔的頻率是 401.5MHz。雷射光的波長調整到830nm， 臨界電流是50mA。 在這架構下，首 先是做主 動鎖模 實 驗。驅動電流由HP8114A脈衝產生器所提 供，為3毫秒的脈衝電流驅動，重複頻率為 1kHz。RF調變信號則由HP83732B合成信 號 發 生 器 所 提 供 ， 並 由 Mini-Circuit 之 TIA900-10射頻功率放大器做放大。元件偏 壓在臨界電流以下，並加上RF調變信號。 RF調變頻率與其中一臂的頻率相同，為 803MHz，並微調使之產生最佳的主動鎖 模 。 當 HP83732B所提供的RF功 率 大於 -5dBm時，可以順利產生鎖模脈衝。在直流 偏壓10mA時及RF功率-1dBm時可得最佳 的脈衝。由於微波電路需高難度的阻抗匹 配技術，為使實驗快速達成，實驗用的元 件之阻抗匹配沒有最佳化，但仍可達到調 制的目標，只要加大輸入功率即可。在RF 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。 SLA 50% OC Grating lL lR lL=lR lens f=5cm 圖二：自我混成鎖模實驗所採用的雷 射腔架構。
3 功率-1dBm時，其調變電流估計為48mA。 主動鎖模的結果，可以產生自相關軌跡之 半高寬為26.2皮秒之短脈主動鎖模之後，我 們改變操作條件以產生自我混成鎖模。直 流偏壓電流調到臨界電流以上，且RF調變 頻率改為主動鎖模的一半。在此條件下， 由於調變頻率減半，主動鎖模所產生的脈 衝壓縮效果變差了。但因為自我混成鎖模 的技術有可飽和吸收體的幫助，結果可以 使得脈衝變得更短。 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三中所示。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26.2皮秒。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29皮秒減小到15皮 秒。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 26皮秒減小到16皮秒。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24皮秒，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24皮秒。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25皮秒，但66mA的 偏壓卻迅速衰減到15皮秒。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25皮秒縮短為0dBm時的16皮秒。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。 實驗中，也試用較短的雷射腔。雷射 腔的兩臂都縮短為9.5公分。雙臂的頻率皆 為1.58GHz，並加上790MHz的調變信號以 產生自我混成鎖模。我們縮短臂長的用意 主要是主動鎖模中，較高的調變頻率可以 產生較強的脈衝壓縮力量。但實驗的結果 卻與調變為401.5MHz時的結果相仿。當 68mA的直流偏壓及0dBm的RF功率時，所 量得的自相關軌跡之半高寬為14.3皮秒。自 相關軌跡圖顯示於圖五。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14.3皮 秒。 上述兩個不同頻率時的實驗顯示增加 RF頻率 自401MHz 到790MHz 並不 會 對 脈 衝壓縮有產生極大的助益。根據我們的觀 察，主動鎖模使用400MHz的調變頻率只能 -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) 圖三：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。
4 對脈衝產生部分鎖模，而使用800MHz的調 變則能壓縮脈衝使其自相關軌跡之半高寬 達到近25~30皮秒。更進一步將脈衝由30皮 秒壓縮到15皮秒，主要是靠直流偏壓與RF 調變信號所引發的可飽和吸收體的幫助， 因此使用401MHz與790MHz的自我混成鎖 模，其結果並無顯著不同。 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 chirp7,8。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。 四、計畫結果自評 總結上述，我們提出一個新的鎖模技 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 傳統主動鎖模技術的一半。自相關軌跡的 半高寬約 12-16 皮秒。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。 五、參考文獻
[1] D. J. Derickson, P. A. Morton, J. E. Bowers, and R. L. Thornton, “Comparison of timing jitter in external and monolithic cavity mode-locked semiconductor lasers,” Appl. Phys. Lett., vol. 59, no. 26, pp. 3372-3374, 1991.
[2] P. A. Morton, J. E. Bowers, J. A. Koszi, M. Soler, J. Lopata, and D. P. Wilt, “Monolithic hybrid mode-locked 1.3 µm semiconductor lasers,”Appl.
Phys. Lett., 56, no. 2, pp.111-113, 1990.
[3] P. G. May and M. Bierbaum, “Monolithic mode-locking of long cavity GaAs-AlGaAs semiconductor lasers,”Photon. Tech. Lett., vol. 3, no. 4, pp.296-298, 1991.
[4] Tekeshi Hoshida, Hai-Feng Liu, Masahiro Tsuchiya, Yoh Ogawa, and Takeshi Kamiya, “Subharmonic hybrid mode-locking of a monolithic semiconductor laser” IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No.
3, pp.514-522, 1996.
[5] T. Hoshida, H. F. Liu, M. Tsuchiya, Y. Ogawa, and T. Kamiya, “Extremely low-amplitude modulation in a subharmonically hybrid mode-locked monolithic semiconductor laser”, IEEE
Photon. Technol. Lett., vol. 8, no. 9, pp.1160-1162,
1996.
[6] W. Rideout, R. Holmstrom, J. Lacourse, E. Meland, W. Powazinik, “Ultra-low-reflectivity semiconductor optical amplifiers without antireflection coatings ,”Electron. Lett., vol. 26, no. 1, pp.36-38, 1990.
[7] M. Schell, M. Tsuchiya, and T. Kamiya, “Chirp and stability of mode-locked semiconductor lasers”,
IEEE J. Quantum Electron., vol. 32, no. 7,
pp.1180-1190, 1996.
[8] A. Azouz, N. Stelmakh, J-M. Lourtioz, “Passive modelocking of semiconductor lasers with tunable group velocity dispersion cavity,”Electron. Lett., vol. 29, no. 16 , pp.1437-1438, 1993. -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 1 2 3 4 5 -4dBm / 21.94ps -8dBm / 34.16ps 0dBm / 14.29ps S HG delay(ps) 圖四：不同調變功率所產生的自相關軌跡之 比較。
