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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
正交偏振光回饋對半導體雷射中模越遷之效應研究
Study on the Effect of Orthogonal Polarization Optical
Feedback to the Mode Hopping in a Semiconductor Laser
計畫編號：89-2112-M-110-037
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日
主持人：嚴祖強 國立中山大學物理系
一、中文摘要 我們發現正交偏振回饋光可以有效地 抑制半導體雷射的模越遷，有時甚至於可 以驅使雷射進入穩定的單縱模狀態。我們 還進一步分析出模越遷過程中各縱模出現 機率和正交偏振光回饋量之間的函數關 係。這些結果在未來的應用及理論研究上 將會有重要的貢獻。 關鍵詞：半導體雷射，模越遷， 正交偏振，光回饋 Abstr actWe found that the orthogonal
polarization optical feedback (OPF) could effectively suppress the mode hopping in semiconductor lasers. In some cases, OPF could even drive the laser to a stable single mode state. Furthermore, the relationship between each mode's lasing probability and the OPF ratio, during mode hopping, were analyzed. These discoveries will make important contribution both in the
applications of semiconductor lasers and in the theoretical investigation of mode hopping. Keywords：Semiconductor Laser，Relaxation Oscillation，Orthogonal Polarization， Optical Feedback。 二、緣由與目的 近年來半導體雷射在許多學術及產業 領域都相當受到重視，例如：光通訊、光 儲存以及光電生物科技都與半導體雷射有 著相當密切的關係。因此，半導體雷射的 物理性質及其工作時的穩定度便備受矚 目。 一般所稱的單縱模半導體雷射 (Single Mode Semiconductor Laser) 是指 在大部分的操作條件之下，半導體雷射都 只有一個縱模產生雷射輸出。但是當 Fabry-Perot 型半導體雷射的電流或是溫度 改變時，雷射會由不同的縱模產生雷射輸 出，其間的轉換過程稱為模越遷(Mode Hopping)。模越遷發生時，雷射光中會有 非常大的雜訊，往往造成應用上的困擾， 因此也成為半導體雷射物理性質研究的重 要主題。 在本計畫中所研究的 "正交偏振光回 饋(Orthogonal Polarization Optical
Feedback, OPF)" 是指：將半導體雷射輸出 的線偏振光束的偏振方向旋轉 90 度，再回 饋到雷射共振腔中的一種回饋方式。這種
2 回饋技術在 1988 年由 H. Yasaka 和 H. Kawaguchi 首 先提出，他們以 這種回 饋 方式對 DFB 半導體雷射進行穩頻，並 以實驗証實其可行性 [1]。其後還有許 多的研究及應用陸續發表。 我們的研究群在中山大學物理系對 “正交偏振光回饋下半導體雷射之動力學 及其應用” 進行了一系列的研究。截至目 前為止，我們對 OPF 與半導體雷射的交互 作用已經有了相當深入的了解，並且建構 了初步的理論模型，曾經在今年的光譜技 術與表面科學研討會中提出報告[2]。 在模越遷的研究方面，實驗上觀察到 的模越遷有 (Hysteresis)及隨機型 (Stochastic)兩類。前兩年，我們研究出利 用 OPF 可以將遲滯型模越遷中的失蹤模 (Missing Mode)激發出來，並且可以穩定地 振盪；還可以藉由控制 OPF 高速地切換雷 射的輸出波長。在本年度的計畫中，我們 將研究 OPF 對隨機型模越遷的影響。 三、結果與討論 我們的實驗系統如圖一中所示。其中 的雷射為 Hitachi 公司的 7806G 半導體雷 射，這是 Fabry-Perot 型，波長為 780 nm 的單模雷射。在光回饋路徑上，我們使用 法拉第旋轉器產生正交偏振，並且加上一 個 Polarcor 線性偏振片，以消除雷射輸出 光中的 TM 殘留偏振，並且克制二次回饋 所產生的同調回饋，藉以確保可以得到高 純度的 OPF，而不會有同調回饋的干擾。 實驗時用 ND Filter 控制回饋量。 在偵測系統中，我們將雷射光束照射 到光柵面上，反射出的零階光束輸入光學 頻譜分析儀中，以觀測雷射的縱模組成。 當雷射處於模越遷狀態時，經過光柵繞射 的第一階干涉光束，會因波長不同而被分 為兩道(λ1、λ2)，我們將其中之一輸入光 偵測器，觀測其頻譜及時域波形。 圖二(a) 是沒有 OPF 時，雷射的 " 縱模-電流-溫度"分佈圖，其中電流是指半 導體雷射的驅動電流，溫度為雷射晶片 Heat Sink 的溫度，並以模數 (Mode Number) 標示各縱模出現的順序及相對 頻率。當我們以 -25.3dB 的 OPF 回饋到雷 射共振腔後，其縱模分佈圖變為圖二(b)。 我們觀察到：OPF 明顯地壓縮模越遷發生 的範圍，使得雷射能在更大的範圍以單縱 模振盪輸出；在 22.0∼24.5℃的溫度區域 內，模越遷範圍縮小了 30% 的面積。此 外，在 56.0 mA, 22.0 ℃附近原是 M9 的輸 出，在加入 OPF 之後變為 M10 的輸出， 因此 OPF 也可以用來控制或切換雷射的 輸出縱模。這些結果顯示 OPF 的確可以有 效的壓制模越遷、改善雷射的輸出品質、 擴展應用範圍。 當雷射工作條件為 52.8 mA、 22.9 ℃ 且沒有任何 OPF 時，雷射處於模越遷狀 態，雷射的輸出在Ｍ10 與Ｍ9 之間隨機地 切換，而且每次切換前後，兩個縱模的功 率幾乎完全相同；亦即模越遷期間，縱模 的功率會完全交換，這是模越遷的特性之 一。此時，我們將光柵之後的光偵測器設 置為偵測 M10，因此在 M10 的功率隨時 間變化的圖中，高電位為 M10 輸出的時 段，而低電位則是 M9 輸出的時段。圖三 為一系列增加 OPF 的過程中，M10 的功率 隨時間變化的情形。圖中可以發現：在 OPF= 0 時，M10 與 M9 出現的機率約略 相等；逐漸增加 OPF，M9 輸出的時段會 越來越多。到了 OPF= -29.3 dB 後，雷射 進入穩定的單縱模 M9 輸出狀態。OPF 若 大於 -15.3dB，雷射將成為多模的狀態。 在這一系列的圖中可以看出：OPF 確實可 以壓制半導體雷射模越遷發生的機率，甚
3 至於可以使雷射處於穩定單縱模輸出的狀 態。 圖四顯示出在模越遷過程中，M9 與 M10 出現的機率隨 OPF 改變的情形。圖中 各縱模出現的機率和 OPF 之間近似二次 函數的關係。圖中曲線變化的趨勢和我們 在去年的研究報告以及在本年度研究計畫 書中所預測的趨勢相符合，而實驗則提供 了定量的結果。這個結果，在未來 ”半導 體雷射在 OPF 下之模越遷機制” 的研究 工作中，將提供相當重要的發展依據。 以往在有關模越遷物理機制的研究中 [3]-[5]，大都認為：模越遷是由雷射共振 腔中隨機性的（Stochastic）自發放射所造 成；其過程是混亂、隨機、而無法預測的。 我們認為半導體雷射在加入 OPF 之後的 模越遷則可能不再是隨機的狀態，而是屬 於混沌的狀態。也就是說，雷射在下一個 時刻的輸出模態是由前一刻的狀態及其 OPF 所決定的，而非完全隨機的。OPF 進 入雷射之後，將會消耗掉一些共振腔中的 載子，改變各縱模增益曲線的分布，並且 影響自發放射的隨機性，使得模越遷具有 混沌的性質的。在下個年度的研究中，我 們將用“時間延遲隱含維度（Time delay Embedding Dimension）” 的方法 分析雷射狀態的混沌性，進而探討用控 制混沌的方法，控制模越遷的可行性。例 如：我們可能可以控制雷射在兩個縱模之 間以固定的頻率切換波長。這些研究的構 想除了具有研究基本物理原理的學術價值 之外，還可能發展出新的應用領域。 四、結論 在本年度的工作中，我們成功地研究 出正交偏振回饋光對半導體雷射中模越遷 的影響，除了可以有效的抑制模越遷，有 時正交偏振光回饋甚至於可以使雷射進入 穩定的單縱模。此外還分析出模越遷過程 中各縱模出現機率和正交偏振光回饋量之 間的函數關係，做為未來研究“半導體雷 射在正交偏振光回饋下之模越遷機制”的 基礎。同時也發展出了下個年度研究工作 的構想。 五、計劃成果自評 本年度的研究以原計畫為藍本，成功 地探討了正交偏振光回饋對半導體雷射模 越遷之影響，並且取得充分的實驗數據， 足以在近期內發表研究論文。根據這些研 究成果，可說是達成了計畫原定的目標。 六、參考文獻
[1] H.Yasaka and H. K. Kawaguchi, "Linewidth reduction and optical frequency stabilization of a distributed feedback laser by incoherent optical negative feedback", Appl. Phys. Lett., 53, 1360(1988).
[2] Tsu-Chiang Yen and Da-Long Cheng, “Modeling and Simulation of Semiconductor Lasers under Orthogonal Polarization Optical Feedback”, 19 屆光譜技術與表面物理研討會 [3]M. Ohtsu, Y. Otsuka and Y. Teramachi, “Precise
Measurements and Computer Simulation of Mode-Hopping Phenomena in a Semiconductor Laser” Appl. Phys. Lett. 46, pp.108-110, 1985 [4]G.R. Gray and R. Roy, “Bistability and Mode
Hopping in a Semiconductor Laser”, J. Opt. Soc. Am. B, 8, 632, 1991
[5]M. Ohtsu, Y. Teramachi, Y. Otsuka and A. Osaki, “Analyses of Mode-Hopping Phenomena in an AlGaAs Laser”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 22, pp. 535-543, 1986
4 圖一.系統裝置圖 圖二(a).沒有OPF時，雷射的“縱模-電 流 -溫度” 分佈圖 。灰色部份為 Mode Hopping 的區域。圖中虛線的 是雷射的閥值電流 圖二(b). OPF= -25.3dB 時, 雷射的 “縱模-電流-溫度”分佈圖 圖三. 在不同的 OPF 之下, M10 的功 率隨時間變化的波形。 圖四. 模越遷過程中，M9 和 M10 出現 的機率隨 OPF 改變的情形。
