國立高雄大學電機工程學系碩士班
碩士論文
西格馬型環型共振腔半導體雷射輸出特性之研究
The Study of Output Characteristics of a Semiconductor Laser
Diode with σ-Shape Circular Ring Resonator
研究生:王明皓撰
指導教授:施明昌博士
論文審定書
誌謝 首先感謝指導教授施明昌教授，使我有機會進入這個設備齊全與環境良好的實驗室， 並不時給予我在實驗上的建議與教導。老師對於做實驗嚴謹態度，及其事必躬親的作為， 是我學習的模範，此外藉由這兩年實驗室的經歷訓練，令我在發現問題以及解決問題的 能力上進步良多。 另外要特別感謝藍文厚教授對我提供一些實驗上的解惑與論文的相關意見。最後感 謝李孟恩教授在百忙之中抽空來參加論文口試。 特別感謝助理林琬淇、黃瓊萱小姐，感謝妳們對實驗室的付出，幫大家處理實驗室 許多事務，讓大家無後顧之憂專心去做研究。感謝學長逸翔、志賢、聖文對我的指導， 同學立恆、孟憲實驗上互相的幫忙，學弟穎宏的幫助。這二年來有太多的回憶，感謝大 家帶給我精彩的研究生活。 最後將本論文獻給我摯愛的家人，感謝從小對我的栽培一直在背後支持我去完成碩 士學位。也感謝在研究所期間曾經幫助過我的各位，謝謝。 I
西格馬型環型共振腔半導體雷射輸出
特性之研究
研究指導教授:施明昌博士 國立高雄大學電機工程學系 學生:王明皓 國立高雄大學電機工程學系碩士班 摘要 半導體環形雷射因為具有環形共振腔，可以得到單模態的輸出特性以及與其他光學 被動元件整合的優點，然而研究發現，由於環狀波導及Y-型光耦合波導光學性質容易受 到製程參數的影響而造成環形雷射兩端輸出光特性的不穩定，因此本論文主要針對環型 共振腔結構上的改良得到穩定的雷射輸出，實驗中利用一西格馬型波導將環型共振腔之 一方向光能量引導到另一方向，選擇性地達到環形雷射輸出端的控制，實驗中使用光度 -電流量測雷射的啟動條件及光譜儀來分析環型雷射輸出特性，證實西格瑪波導能有效 將環形共振腔其中一方向的光強度耦合到環形共振腔另一方向，使環形雷射一端的雷射 輸出功率比同樣環半徑的單輸出環型雷射輸出功率大。 關鍵字：西格馬型環型二極體、Y型耦合輸出 IIThe Study of Output Characteristics of a Semiconductor
Laser Diode with σ-Shape Circular Ring Resonator
Advisor: Dr. Ming-Chang Shih Department of Electrical Engineering
National University of Kaohsiung Student: Ming-Hao Wang
Department of Electrical Engineering National University of Kaohsiung
ABSTRACT
Circular ring laser diode was attracted interest of research because of its single mode output characteristics and compatibility of integration with other passive optical components on a same chip. However, the optical characteristic of the circular ring resonator is sensitive to the process parameters of the ridge waveguide structure that will cause unstable output from two Y-junction couplers. In this thesis we demonstrate a method of output control of the circular ring resonator through one selective Y-junction coupler by adding an σ-shape waveguide structure in the circular ring resonators. In the experiments, measurements of light-current (L-I) characteristics and spectral analysis of the laser diode were used to analyze the effect of the σ-shape waveguide to the output of the circular ring resonator. It was proved that σ-shape waveguide can effectively couple light intensity in one direction of the circular ring resonator to the other direction of the circular ring resonator and selectively to enhance the output of the circular ring resonator through one of the Y-junction couple.
Keyword: σ-Shape Circular Ring Laser, Y-junction Output Couplers
目錄
論文審定書 ... I 誌謝 ... I 摘要 ... II ABSTRACT ... I 目錄 ... II 圖目錄 ... IV 表目錄 ... VII 第一章 緒論 ... 1 1.1 雷射的歷史及種類簡介 ... 1 1.2 半導體雷射 ... 2 1.3 半導體環型雷射 ... 4 第二章 西格馬型環型雷射原理 ... 11 2.1 半導體雷射簡介 ... 11 2.2 光子與電子的交互作用 ... 13 2.3 雷射居量反轉原理 ... 14 2.4 環型雷射平衡方程式 ... 18 2.4-1 環型共振腔之功率平衡條件 ... 18 2.4-2 單西格馬型雙 Y-型耦合輸出雷射功率平衡條件 ... 20 第三章 半導體西格馬型環型雷射元件製作 ... 22 3.1 雷射元件材料結構 ... 22 3.2 西格馬型環型共振腔元件製作流程 ... 23 第四章 西格馬型環型雷射輸出特性量測 ... 33 4.1 量測系統簡介 ... 33 II4.1-1 電流-電壓量測系統 ... 33 4.1-2 光譜量測系統 ... 34 4.1-3 L-I 量測系統 ... 35 4.2 環型雙輸出雷射輸出模態量測 ... 36 第五章 結論與未來展望 ... 48 參考資料 ... 49 III
圖目錄
圖 1.1 邊射型雷射示意圖 ... 3 圖 1.2 垂直共振腔面射型雷射示意圖 ... 3 圖 1.3 最早的垂直共振腔面射型雷射構想 ... 4 圖 1.4 半環型雷射結構圖 ... 5 圖 1.5 半環形雷射光譜圖 ... 5圖 1.6 環型雷射(Square Ring Lasers) ... 6
圖 1.7 環型雷射在 PD1、PD2 下的 L-I ... 6 圖 1.8 單輸出共振腔環型雷射 ... 7 圖 1.9 環型雷射輸出光譜圖 ... 8 圖 1.10 紅光雷射 L-I ... 8 圖 1.11 雙輸出共振腔環型雷射 ... 9 圖 1.12 破壞環型共振腔電極後光譜比較圖 ... 9 圖 1.13 兩波導輸出端 L-I 圖 ... 10 圖 1.14 西格馬型雙輸出雷射 ... 10 圖 2.1 各種半導體之能隙與晶格常數關係圖 ... 12 圖 2.2 InGaAlP 的多重量子井磊晶結構圖 ... 12 圖 2.3 多重量子井與披覆層能帶圖 ... 13 圖 2.4 光子與電子交互作用示意圖 ... 14 圖 2.5 圓形共振腔 ... 18 圖 2.6 Y 型耦合輸出之西格馬型共振腔 ... 20 圖 2.7 西格馬型共振腔示意圖 ... 21 圖 3.1 雷射磊晶片之激發光譜 ... 23 圖 3.2 晶面切割方向 ... 24 IV
圖 3.3 電子束蒸鍍機 ... 24 圖 3.4 成長 SiO2製程圖 ... 25 圖 3.5 塗佈機 ... 25 圖 3.6 光阻塗佈製程圖 ... 26 圖 3.7 Suss-MA45 曝光機 ... 26 圖 3.8 曝光製程圖 ... 27 圖 3.9 顯影製程圖 ... 27 圖 3.10 Y 型耦合器 ... 28 圖 3.11 BOE 蝕刻與去光阻製程圖 ... 28 圖 3.12 ICP 蝕刻波導與去 SiO2製程圖 ... 29 圖 3.13 ICP 蝕刻與去 SiO2 後之截面圖 ... 29 圖 3.14 二次對準製程圖 ... 29 圖 3.15 二次對準顯影結果 ... 30 圖 3.16 成長 SiNx 製程圖 ... 30 圖 3.17 n-type 基板研磨 ... 31 圖 3.18 研磨機 ... 31 圖 3.19 電極金屬蒸鍍 ... 32
圖 3.20 ULVAC MILA-3000 RTA 快速退火機 ... 32
圖 3.21 Karl SUSS-RA120 晶圓切割機 ... 32 圖 4.1 電壓-電流量測系統 ... 33 圖 4.2 I-V 量測圖 ... 33 圖 4.3 光譜量測系統 ... 34 圖 4.4 雷射檢測平台 ... 34 圖 4.5 光譜儀(Triax550) ... 34 圖 4.6 L-I 量測系統 ... 35 V
圖 4.7 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 1... 36 圖 4.8 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 2... 36 圖 4.9 量測雷射的相關尺寸圖 ... 37 圖 4.10 環型雷射雙輸出元件圖 ... 38 圖 4.11 Sample(A)示意圖 ... 38 圖 4.12 Sample(A)光譜圖 ... 39 圖 4.13 Sample(A)L-I 圖 ... 39 圖 4.14 西格馬型環型雷射雙輸出元件圖 Type1... 40 圖 4.15 Sample(B)示意圖 ... 40 圖 4.16 Sample(B) CW 光譜圖 ... 41 圖 4.17 Sample(B) CCW 光譜圖 ... 41 圖 4.18 Sample(B) L-I 圖 ... 42 圖 4.19 西格馬型環型雷射雙輸出元件圖 Type2... 43 圖 4.20 Sample(C)示意圖 ... 43 圖 4.21 Sample(C) CW 光譜圖 ... 44 圖 4.22 Sample(C) CCW 光譜圖 ... 44 圖 4.23 Sample(C) L-I 圖 ... 45 圖 4.24 Sample(D) 示意圖 ... 46 圖 4.25 Sample(E) 示意圖 ... 46 圖 4.26 單輸出 L-I 強度比較圖 ... 47 VI
表目錄
表 3.1 650nm 紅光磊晶片結構圖 ... 22
第一章 緒論
1.1 雷射的歷史及種類簡介 愛因斯坦 1905 年首先在理論上提出光量子假說，即光是由離散的能量粒子（光 量子）所組成，在 1916 年提出的量子電磁輻射理論，主要是在說明利用吸收、自 發放射、激發放射之機率來對於德國物理學家普朗克(Planck)先前在研究黑體輻 射中所發現的普朗克關係式，給出另一種詮釋，對普朗克之輻射理論進行更進一 步的修正，完善了雷射的理論基礎和光子概念。此後人們開始在猜測，這個現象 可否被應用於加強光場上，但由於此理論中的介質必須存在著居量反轉的狀態， 所以在當時的科學尚未能實現。 1958 年，美國科學家肖洛（Schawlow）和陶恩斯（Townes）發現了一種神奇 的現象：當他們將氖光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發 出鮮豔的、始終會聚在一起的強光。根據這一現象，他們提出了"雷射原理"，即物 質在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發時，都會產生這種不發散的強光--雷射。為此發表了重要論文，並獲得 1964 年的諾貝爾物理學獎。1960 年 5 月 16 日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為 0.6943 微米的 雷射，這是人類有史以來獲得的第一束雷射，梅曼因而也成為世界上第一個將雷 射引入實用領域的科學家。他的方案是，利用一個高強閃光燈管，來刺激紅寶石。 由於紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受到刺激時， 就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔，使紅光可 以從這個孔溢出，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時， 可使其達到比太陽表面還高的溫度[1]。 11.2 半導體雷射 Kroemer和Alferov 於1963年分別提出使用雙異質接面結構，將能隙較小的材料 置於兩個能隙較大的材料之中，這使得半導體雷射能在常溫下以連續模式操作。 西元1970年，Hayashi與Alferov更分別實現了在室溫下操作的雷射，且其電流密度 為非常低的1.6 KA/cm2，此舉也帶動雙異質結構在半導體雷射的里程碑，更讓半導 體雷射走出實驗室。 半導體雷射有體積小、重量輕、結構簡單、價錢便宜，能量轉換效率高，又 可直接由輸入電流調制雷射光之輸出頻率。所以用途極廣，在一些光電機器系統 裡，都是主要的光源，如：CD 光碟機、DVD 光碟機、雷射印表機、光纖通信系 統…。隨著科技的發展，需求量也逐漸增加。 半導體雷射主要可以分成邊射型雷射與垂直共振腔面射型雷射兩大類[2]。 (1) 邊射型半導體雷射
對於邊射型雷射(edge emitting laser, EEL)來說(如圖1.1[3])，垂直結構主要分為 上下披覆層(cladding layer)或稱PN 披覆層，以及主動層(active layer)。其中披覆層 材料的能隙較主動層的能隙大，藉此才能形成特性優異的雙異質接面的結構以侷 限載子，PN 披覆層可提供電洞與電子分別注入主動層複合產生光子，同時折射率 較低的披覆層還可提供良好的光學侷限效果，讓雷射模態可以在空間上和主動層 有非常好的重疊。
圖1.1 邊射型雷射示意圖
(2) 垂直共振腔面射型雷射
對於垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)來說 (如圖 1.2[3])，其垂直結構還要再加入上下布拉格反射鏡，包夾 PN 披覆層以及在 中央的主動層，同樣的披覆層材料的能隙較主動層還大，可形成雙異質接面的結 構以侷限載子，PN 披覆層仍提供電洞與電子分別注入主動層復合產生光子。圖 1.3 為垂直共振腔面射型雷射最一開始的構想[4]。 圖1.2 垂直共振腔面射型雷射示意圖 3
圖1.3 最早的垂直共振腔面射型雷射構想 1.3 半導體環型雷射 直線型半導體雷射由於共振腔偏短，一般為多縱模態(longitudinal modes)，由 於通訊傳播應用與光學記錄解析度要求越來越高，所以對於單模態輸出雷射的需 求也會越來越高，一般在製作單模態的半導體雷射是利用鍍膜技術來生成兩面布 拉格反射鏡，但需要的鍍膜技術較為複雜且比較不容易與被動元件整合。環型共 振腔(ring resonator)結構[5][6][7]，環型波導共振腔具較長的光局限長度，可以得到 較好的邊模抑制效果，並利用 Y 型耦合結構將雷射輸出直接與直線波導元件整合， 目前有關環形雷射的研究結果並不多，因為環形共振腔的光可以與其他波導結構 元件整合，因此也造成比線性雷射更複雜的雷射光學特性，例如雷射縱模態的分 佈、四波混頻，本論文主要探討西格馬型環型共振腔半導體雷射輸出特性之研究。 (1) 半環型共振腔雷射 剛開始利用環形波導特性是 N. MATSUMOTO 與 K. KUMABE 於 1977 年發表 的論文[8]，其結構如圖 1.4[8]。並可由其結果發現(圖 1.5[8])這種的結構需要施加 元件很高的電流才會啟動，所以在與其他結合應用上面會比較不容易，而且其所 產生的光譜結果也不是很理想的單模態雷射。 4
圖1.4 半環型雷射結構圖 圖1.5 半環形雷射光譜圖 (2) 環型非接觸型雷射 採用環型共振腔與非直接接觸的直線波導(圖 1.6) [9]，利用了兩種波導的間接 偶合的方式來達到單模態雷射的輸出效果，耦合環型雷射產生出來的 CW 與 CCW。 並經由環型雷射在不同偵測器(PD1、PD2)的 L-I 結果發現(圖 1.7)[9]，可以發現環 型雷射具有以下三種的特性： I. 雙向(bidirectional)連續波的特性。 II. 交替震盪(alternate oscillations)的特性。
III. 單向雙穩態 (directional bistability)的特性。
所以依其單向雙穩態的特性，即可產生光開關的效果。但由於此結構採用間 接耦合的方式，所以環型波導與直線波導間的距離如果相距太遠則耦合效果會很 差所以間距需要越小越好，這也造成製程上極大的挑戰與困難，同時這樣的間接 結構也不容易與其他的被動元件做整合。
圖1.6 環型雷射(Square Ring Lasers)
圖1.7 環型雷射在PD1、PD2下的L-I
(3) 環型接觸型雷射
I. 單一 Y-型輸出
本研究團隊之前的研究[10]採用圓形共振腔(圖1.8)結構製作雷射，以單一Y型 耦合器耦合輸出，在搭配以準分子低溫蝕刻技術製作圓形共振腔波導結構[11]，不 需要鏡面，因此較容易製作且較易與其它元件整合成單晶片光積體電路。另外環 形共振腔半導體雷射之邊模抑制( side mode rejection )能力很好，很適合操作在單 一模態中，所以可以成為窄頻寬應用之光源[1]。
圖1.8 單輸出共振腔環型雷射
由量測環型雷射元件及Y型耦合輸出端之L-I及光譜，發現在Y型耦合波導端輸 出的雷射光譜屬於單膜態，(圖1.9[1])。
656 658 660 662 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 Int ens ity ( a. u. ) Wavelength (nm) ring laser 圖1.9 環型雷射輸出光譜圖 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 -4.0x10-4 -2.0x10-4 0.0 2.0x10-4 4.0x10-4 6.0x10-4 8.0x10-4 1.0x10-3 1.2x10-3 1.4x10-3 1.6x10-3 1.8x10-3 2.0x10-3 2.2x10-3 2.4x10-3 2.6x10-3 2.8x10-3 3.0x10-3 3.2x10-3 3.4x10-3 P ow er ( W ) Current (A) ring 6v 圖1.10 紅光雷射 L-I II. 雙 Y-型耦合輸出 環型雙輸出雷射是採用一個環型共振腔與兩個Y型耦合器的結構製作雷射，圖 1.11為其成品示意圖。 8
圖1.11 雙輸出共振腔環型雷射 經由圖 1.12[1]可以發現破壞環型之後的光譜顯示，在峰值 651.58nm 的環型單 模態明顯變弱，同時圖 1.13[1]可以則顯示兩輸出端的 L-I 特徵是相同的。 648 650 652 654 656 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 651.58nm int ens ity (a. u. ) wavelength(nm) before destroy after destroy 圖1.12 破壞環型共振腔電極後光譜比較圖 9
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 4.0x10-5 5.0x10-5 6.0x10-5 7.0x10-5 8.0x10-5 9.0x10-5 1.0x10-4 1.1x10-4 P ow er (W ) Current(A) right left 圖1.13 兩波導輸出端L-I圖 環型雙輸出雷射除了同樣因為非波導端不需要鏡面，因此較容易製作且較易 與其它元件整合成單晶片光積體電路的優點之外，還具有雙輸出的優點。 由於傳統環型雷射是一個對稱的圖形，所以本論文嘗試透過結構上的改變， 破壞其原本的對稱形狀，藉此去控制輸出端的強弱。 圖1.14 西格馬型雙輸出雷射 10
第二章 西格馬型環型雷射原理
2.1 半導體雷射簡介 雷射的發光即是電子與電洞間復合的機制。復合機制中主要分兩種過程，一 種為沒有放出光子的非輻射復合(non-radiative recombination)，另一種為會放出光 子的輻射復合(radiative recombination)。而輻射復合又可分為自發放射(spontaneous emission)與受激放射(stimulated emission)。自發放射中物質吸收光子能量後，電子 躍遷到激發態，當入射光消失時，電子經過一小段時間後，會自然回到穩定的基 態。這時多出來的能量將以光子方式釋放，且朝各方向放射的機率相同，一般 LED 放出的光子即為自發放射。而受激放射則是在激發態之粒子受到入射光的作用而 躍回基態，受激放射的頻率與入射光相同，而且放射光方向與入射光運動方向一 致，也就是產生波長一樣且相位一致的放射光，這是雷射光發生的重要過程。因 此受激放射能使光同調(coherent)放大，所產生雷射光具有獨特的性質:如單光性 (monochromatic)、指向性(directionality)、與同調性等[1]。 由於直接能隙(direct bandgap)的半導體材料具有非常有效率的輻射復合，圖 2.1[13]為各種半導體之能隙與晶格常數關係圖，並有非常大的能態密度(density of states)可供電子電洞填入，使得半導體材料的增益係數相對於傳統雷射的增益介質 大上許多，也使得半導體雷射的體積可以有效縮減，因此半導體雷射多使用直接 能隙材料。其中雙異質結構所形成的主動層即為半導體雷射的增益介質，而共振 腔的兩平行反射鏡面經由劈裂(cleaving)方式，使得半導體可沿著原子排列的平面 處平整斷裂而形成天然的鏡面(facet)，此鏡面具有特定的反射率，一方面提供雷射 光在共振腔中來回振盪，一方面也可讓雷射光通過鏡面，成為輸出耦合的雷射光， 因為雷射光的振盪方向與異質接面平行，且雷射光由兩端面射出，此種雷射又稱 為邊射型雷射(edge emitting laser ,EEL)[1]。圖2.1 各種半導體之能隙與晶格常數關係圖 本研究使用的基板為 n 型的砷化鎵並以 MOCVD 成長出 InGaAlP 的多重量子 井的磊晶結構來製作為脊狀的環型共振腔，其發光波長為 650nm 左右。而主動層 是以兩層 10nm 一層 5nmInGaAlP 中間夾兩層 5nm GaInP 的多重量子井結構，並在 此量子井上下各有一層厚為 100nm 披覆層(cladding layer)如圖 2.2[14]。 圖2.2 InGaAlP的多重量子井磊晶結構圖 12
我們可以由Eg 1.24 λ ≅ 計算出GaInP的E 約為1.9eV，如圖2.3[15]所示。 g 圖2.3 多重量子井與披覆層能帶圖 由圖 2.3 可以看出E = 1.9eV 就是 GaInP 的能隙發出的紅光波長為 650nm。此g 能帶圖能隙最大的是(Al Ga In P 其0.7 ) y E = 2.4eV，它在這裡則是被當成披覆層g (cladding layer) ， 而 其 他 的 類 似 階 梯 結 構 的 能 帶 圖 則 稱 為 漸 變 性 折 射 率 SCH(Separate-confinement-hetero-structure) (grade-index SCH，GRIN-SCH)其中波導 管的 GRIN 是由一些小階梯式、逐漸增加能隙能量的複合包覆層來達成。GRIN-SCH 結構比 SCH 結構更能有效的限制載子及光場，因此其臨界電流密度會更為低 [15]。
2.2 光子與電子的交互作用
光子和半導體內的電子之間主要有三種交互作用：吸收(absorption)、自發放射 (spontaneous emission )、受激放射(stimulated emission )。如圖 2.4 所示，E1與 E2
分別表示基態(ground state)與激態(excited state)，則在此兩能階產生的光子頻率為 ν12，其 hν12＝E2-E1。一般情況下原子多處於基態，假如有一道光蘊含能量為 hν12
的光子衝擊此基態系統，則電子會獲得能量並躍遷至激態，此過程即稱吸收如圖 2.4(a)。而在激態中的電子是屬於不穩定的，因此過段時間後電子在未受外力影響 下有機會自己回到基態，並放出能量為hν12光子，此即為自發放射如圖 2.4(b)。然
而當在激態的電子受到一個能量 hν12 的光子衝擊後，這電子會轉移到基態並放出 一個與入射輻射同相位且能量為hν12的光子，此過程則稱為受激輻射如圖 2.4(c)。 圖 2.4 光子與電子交互作用示意圖(a)吸收 (b)自發放射 (c)受激放射 2.3 雷射居量反轉原理 居量反轉前高能階的粒子密度一般都低於低能階的粒子密度，但居量反轉發 生時，高能階的粒子多，低能階則較少，這與熱平衡下的分布趨勢相反，因為這 緣故，當雷射發生時，才能夠放大放射光，而以下為原理的過程[16]。
首先在能階系統內定義基態(ground state)能階為E1,E2為激發態(excited state )
能階，且N1為基態粒子數，N2為激發態粒子數，我們將這些參數利用波茲曼方程
表示出來，如(式2-1)
1 2 1 2 exp( ) exp( ) N E E h N kT kT υ − = = (式2-1) 其中E1− E2 = hυ 若能階1與能階2為簡併，則我們可將(式2-1)修正為 1 1 2 2 exp( ) N g h N g kT υ = (式2-2) 其中g1與g2為能級E1與E2的簡併度(Degenerancy)，且通常N2 < N1，當N1 = N2時，表
示打入光子時受激放射與受激吸收的機率相等，而我們可以用下列式子來表示： 21 21 2 v R =B N ρ (式2-3) 其中 R21為受激放射率 B21為受激放射係數 ρv為光功率密度 12 12 1 v R =B Nρ (式2-4) 其中 R12為受激吸收率 B12為受激吸收係數 21 2 s R =A N (式2-5) 其中Rs為自發放射率 A21為自發放射係數 由式2-3~5 分別為受激放射、受激吸收、自發放射的表示式，且當熱平衡狀態時以 上三式存在一關係式 R12=R21+Rs (式2-6) 式2-6 表示熱平衡狀態下受激吸收率=受激放射率+自發放射率 經整理後可得 12 1 v 21 2 v 21 2 B N ρ =B N ρ +A N (式2-7) 其中B12、B21為愛因斯坦係數，且我們將ρv獨立出來 21 21 12 1 21 2 / ( / ) 1 v A B B N B N ρ = − (式2-8) 我們可以利用(式2-2)代入(式2-8)，以υ 來表示 21 21 12 1 21 2 / ( / ) exp( / ) 1 v A B B g B g h kT ρ υ = − (式2-9) 15
由普朗克輻射定律可將ρv表示為 3 3 8 [exp( / ) 1] v h c h kT p υ ρ υ = − (式2-10) 比較(式2-9)與(式2-10)可以將愛因斯坦係數獨立出來 1 12 21 2 g B B g = (式2-11) 當N1 = N2表示有相同的簡併度，故(式2-9)與(式2-10)也可以表示為 3 21 3 21 8 A h B c p υ = (式2-12) 從式(2-3)與(式2-5)可以得知比值為 21 21 21 v s B R R A ρ = (式2-13) 利用(式2-10)，(式2-12)與(式2-13)可推出 21 1 exp( / ) 1 s R R = hυ kT − (式2-14) 當熱平衡的時候N1 > N2，表示自發放射大於受激放射，我們可以比較(式2-3)與(式 2-4)與(式2-11的結果)可得到 21 2 12 1 R N R = N (式2-15) 當熱平衡時 ( 2 1) / 2 1 E E kT N e N − − = (式2-16) E2− E1 > 0，k為常數，絕對溫度T>0，即 2 1 1 N N > ，如果使系統處於非熱平衡狀態， 例如光激發，使N2-N1>0，此時系統就達到居量反轉(population inversion)，激發輻 射速率大於自發輻射色率;R21>Rs，此系統會具有光增益。然而要達到雷射運作條 件，需要形成光學共振腔，其條件有：
(1)共振腔光限制因子(optical confinement factor of the resonator)定義為： 1 exp( C nd)
Γ ≅ − − ∆ (式2-17) 16
其中C為常數，∆n為折射率之差，d為主動層厚度 (2)光共振腔光鏡面反射率 2 1 ( ) 1 n R n − = + (式2-18) 其中n為半導體中對應於波長λ的折射率(n通常為λ的函數) (3)光共振腔長度 ( ) 2 L m n λ = (式2-19) (4)縱模模距(longitudinal mode spacing)
∣ ∆λ ∣=2𝐿𝐿×𝑛𝑛λ2
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 (式2-20)
(5)雷射臨界增益(Threshold gain of lasing)
1 1 1 ln( ) th g L R α = + Γ (式2-21) 其中Γ限制因子 α 材料吸收或散射機制所引起的損耗 L共振腔長度 R鏡面端的反射係數
(6) 半導體雷射臨界電流密度(Threshold current density of laser a diode )以線型雷射 的臨界增益係數為例： 1 1 1 ln( ) th g L R α = + Γ (式2-22) 起始電流Jth e th i J d J h = (式2-23) 其中 d 為主動層厚度 hi內部量子效率，Je 為電流密度
(
)
0 0 0 e g g J J J = − (式2-24) 由(式2-23)與(式2-24)可以得到，g0與J0為依據溫度變化而改變的係數 0 0 0 i i J d gJ d J g h h = + (式2-25) 17當臨界電流密度(式2-25)的增益，用(式2-22)的臨界增益代入可以推出臨界電流 2 0 0 0 1 1 ( / ) ln( ) th i i J d J d J A cm g α L R h h = + + Γ (式 2-26) 其中 0 0 J d ghΓ為增益項，所以為了降低臨界電流密度可以增加h、Γ、L、R 減少 d、 α 。 2.4 環型雷射平衡方程式 在熱平衡下直接能隙材料，其電子-電洞對的產生率與電子-電洞對的復合率是 相等的，故電子-電洞濃度是維持在一定的常數。當電流注入時，因電子-電洞對濃 度增加，使得電子-電洞對數目隨時間的變化關係為[1]： n N I N gP t q t ∂ = − − ∂ (式2-27) g(N) = g0 (N − N0 )
(式2-28) N t ∂ ∂ ：電子-電洞對數目隨時間的變化率 I q：表示注入電流時，電子-電洞對數目的產生率 gP ：電子-電洞對受激發輻射速率 n N t ：電子-電洞對自發輻射速率 g(N)：增益 2.4-1 環型共振腔之功率平衡條件 圖2.5 圓形共振腔 環型共振腔之總貯存光功率為 P= Pcw+ Pccwαcw=αccw (式2-29) 18
當電流注入未達到穩態時，半導體環型共振腔內所產生的功率與時間變化， 如下式： cw cw cw cw P ( )P P cw cw cw cw n N g N t α g t ∂ = Γ − + Γ ∂ (順時針方向) (式2-30) ccw ccw ccw ccw P ( )P P ccw ccw ccw ccw n N g N t α g t ∂ = Γ − + Γ ∂ (逆時針方向) (式2-31) 其中： Γg(N)Px：X方向激發輻射所產生的功率變化率 αxPx
：X方向功率的損失變化率
x n N g t Γ ：X方向自發輻射所產生的功率變化率 Γ：光被侷限在環型波導中之active layer 內之比例常數 當注入電流到達穩態時，半導體環型共振腔內的光功率達到穩定平衡所以： P 0 t ∂ = ∂ ⇒ (P +Pcw ccw) 0 t ∂ = ∂ (式2-32) 整理2-32式，可得 ⇒ Pcw Pccw 0 t t ∂ =∂ = ∂ ∂ (式2-33) 因自發輻射所產生的部分，其值很小，故可以忽略不計。 cw cw ccw ccw ( )P cwP ( )P ccwP g N α g N α Γ − = Γ − (式2-34) 由2-34式可推出 (N) (N) ccw ccw ccw cw ccw cw cw cw g P P g α α Γ − ⇒ = Γ − (式2-35) 由上式可知在環型共振腔內無耦合輸出，順時鐘方向所產生的功率和逆時鐘 方向所產生的功率之間的關係，而不管是順時鐘方向還是逆時鐘方向，因為是在 同一個環型中，所以式2-35中的α 和cw α 會相等，而理論上g、ccw Γ會是相同的值， 但是實際上g、Γ會受到波導製程上的差異而有所不同。 192.4-2 單西格馬型雙 Y-型耦合輸出雷射功率平衡條件 圖2.6 Y型耦合輸出之西格馬型共振腔 西格馬環型共振腔內所產生的功率隨時間變化，方程式如下： 𝜕𝜕𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜕𝜕𝜕𝜕 = (Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐− 𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐+ Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑁𝑁 𝜏𝜏𝑛𝑛+ 𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 + 𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (式 2-36) 𝜕𝜕𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜕𝜕𝜕𝜕 = (Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐− 𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 + Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑁𝑁 𝜏𝜏𝑛𝑛+ 𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐 (式 2-37) 其中： R = 輸出端面之鏡面反射率 T = 光從環型波導耦合到輸出波導的比例 α = 在 Y 型耦合器上的損耗 k = 光從環型波導耦合到 S 型波導的比例 當穩定態時，半導體西格馬型環型共振腔內所產生的功率不隨時間變化： cw ccw P P 0 t t ∂ ∂ = = ∂ ∂ (式 2-38) 將式 2-36 與 2-37 帶入 2-38 得 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐− 𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐) + Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐𝜏𝜏𝑁𝑁𝑛𝑛 + 𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 + 𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 0 (式 2-39) 20
𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐− 𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐) + Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜏𝜏𝑁𝑁𝑛𝑛+ 𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐 = 0 (式 2-40) 當達到雷射條件時，自發輻射所產生的部分其值很小，故可以忽略。 →𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐− 𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐) + 𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 + 𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐− 𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐) + 𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐(Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁) − 𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐)𝑃𝑃𝑐𝑐𝑐𝑐 (式 2-41) 求解得 Pcw/Pccw=(1−𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(1−𝑅𝑅𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)�𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁)�+𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐+2𝑘𝑘𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐)�𝛼𝛼𝑐𝑐𝑐𝑐−Γ𝑐𝑐𝑐𝑐𝑔𝑔(𝑁𝑁)�+𝑇𝑇𝑐𝑐𝑐𝑐 (式 2-42) 假設特性參數皆一致，再進一步簡化式子。 Pcw/Pccw=1 +(1−𝑅𝑅𝑇𝑇)�𝛼𝛼−Γ𝑔𝑔(𝑁𝑁)�+𝑇𝑇2𝑘𝑘 (式 2-43) 由上述推導可知，當西格馬型雙輸出雷射元件操作為穩態時，其兩個輸出端 的能量關係如式 2-41，西格馬型中如果是 S 型脊狀波導 CW 端的強度會大於 CCW 端，反之如果是逆 S 型脊狀波導 CCW 端強度則會大於 CW 端。 由圖 2.6 的結構推斷，雷射的輸出不僅只是由環型共振腔所提供，應該還要 如圖 2.7 加上西格馬型共振腔腔的雷射輸出，而西格馬型共振腔與線型共振腔效果 一樣其增益如 2-22 式為： 1 1 1 ln( ) th g L R α = + Γ 圖2.7 西格馬型共振腔示意圖 21
第三章 半導體西格馬型環型雷射元件製作
3.1 雷射元件材料結構 本實驗採用有機金屬化學氣相沉積磊晶(MOCVD)多重量子井結構，波長 650nm的紅光磊晶片，(表3.1[1])為雷射磊晶層的結構表。我們同時可以量測光激發 螢光光譜(Photoluminescence)，得到雷射磊晶片的激發光譜，並且可以看出峰值為 641nm(圖3.1[1])。 表3.1 650nm 紅光磊晶片結構圖Structure Material Thickness concentration type Doping Cap GaAs 100 nm 1~3E+19 p Zn Barrier
reducing
InGaP 50 nm 1E+18 p Zn AlGaInP 70 nm 1E+18 p Zn p-cladding AlInP 750 nm 1E+18 p Zn
ESL GaInP 8 nm
p-cladding AlInP 130 nm 5E+17 p Zn Con.L AlGaInP 90 nm
Barrier AlGaInP 10 nm MQW
Barrier AlGaInP 10 nm
Con.L AlGaInP 90 nm 1E+18 n Si n-cladding AlInP 15 nm 1E+18 n Si Buffer GaAs 500 nm 1E+18 n Si Substrate GaAs 350 µm 0.7~4E+18 n Si
圖3.1 雷射磊晶片之激發光譜
3.2 西格馬型環型共振腔元件製作流程
1. 晶片切割及清洗
將兩吋的紅光雷射晶片以晶片切割機型號Karl Suss RA120需沿著(100)晶面方 向(圖3.2[1] )平行或垂直晶面切割成大小適中的形狀，再將晶片依照程序使用以下 步驟清洗： (1) 將已切割好的晶片浸泡於丙酮1分鐘，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘， 此步驟之目的為清除晶片上的油脂和有機物質。 (2) 將晶片浸泡於甲醇1分鐘後，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，此步驟 之目的為清除晶片上殘留的丙酮。 (3) 將晶片浸泡於去離子水中1分鐘，再置於超音波震盪機裡震盪3分鐘，此 步驟之目的為清除殘餘的甲醇，之後再以氮氣吹乾。 (4) 將晶片浸泡於混合溶液HCl：H2O = 1：10中30秒，此步驟之目的為清除 晶片表面產生的氧化層。 (5) 將晶片浸泡於NH4OH：DI water = 1：8之混合溶液中浸泡30秒，此步驟之 23
目的為去除晶片上殘存之金屬顆粒或雜質。 (6) 最後以離子水清洗乾淨，再以氮氣將表面吹乾。
圖3.2 晶面切割方向
2. 成長SiO2
我們使用ULVAC電子束蒸鍍機(圖3.3)，在切割好的晶片上蒸鍍一層約200nm 之SiO2，此SiO2主要目的為當作之後ICP的阻擋層，製程示意(圖3.4)。
圖3.3 電子束蒸鍍機
Quantum well illuminative
圖3.4 成長SiO2製程圖 3. 光阻塗佈 (1) 採用正光阻AZ P4210塗佈，STEP1的轉速為2500rpm，STEP2的轉速為 7200rpm，塗佈後正光阻的厚度約為2.0μm。 圖3.5 塗佈機 (2) 為了去除光阻的溶劑成分，故光阻放入烤箱軟烤為110℃1分鐘，製程示意 圖如下(圖3.6)。 25
圖3.6 光阻塗佈製程圖 4. 曝光 使用Suss-MA45曝光機(圖3.7)，汞燈的波長為365nm，250W，實際曝光強度為 ，曝光時間為13秒，光罩圖形即為西格馬型環型雙輸出圖形，其中需要 將直線波導部分平行多重量子井的發光方向，製程示意圖如下(圖3.8)。 圖3.7 Suss-MA45曝光機 26
圖3.8 曝光製程圖 5. 顯影 利用安智公司製造正顯影液400K：DI water = 1：4，顯影後浸泡於去離子水中， 將殘餘的顯影液清洗乾淨，再以氮氣槍將其吹乾，透過顯微鏡觀察圖形是否良好， 製程如圖3.9。Y型耦合器俯視圖如(圖3.10)。 圖3.9 顯影製程圖 27
圖3.10 Y型耦合器 6. BOE蝕刻 利用BOE去除SiO2，並利用正光阻當作遮罩，保護SiO2下的波導結構。完成後 以丙酮、甲醇、去離子水將正光阻移除。製程如圖3.11。 圖3.11 BOE蝕刻與去光阻製程圖 7. ICP蝕刻波導 我們採用乾式蝕刻來進行雷射波導結構的蝕刻，因為SiO2較不會與ICP蝕刻氣 體反應，故可以當作蝕刻時的光罩，將晶片取出再利用丙酮、甲醇、去離子水、 HCl：H2O = 1：10混合溶液、NH4OH：DI water = 1：8之混合溶液中將晶片表面的 蝕刻殘餘物清洗乾淨，最後將晶片置於HF：DI water= 1：10之混合溶液中約１分 鐘，即可處去除SiO2。製程如下圖3.12。蝕刻後的波導形狀如圖3.13[1]。 28
圖3.12 ICP蝕刻波導與去SiO2製程圖 圖3.13 ICP蝕刻與去SiO2後之截面圖 8. 二次對準 如同上述步驟3.～5.，我們在同樣必須使用正光阻AZ P4210塗佈和軟烤110℃1 分鐘，接著再進行第二次的曝光與顯影，光罩圖形跟第一次的圖型一樣，曝光顯 影完成後，即將西格馬型環型波導披覆起來。製程如圖3.14。 圖3.14 二次對準製程圖 29
圖3.15 二次對準顯影結果 9. 成長SiNx 為了達到保護與絕緣雷射環形波導結構，我們選擇低折射率且具有抗反射的 高絕緣性材料SiNx，折射率(Refractive index)為2.03。濺鍍SiNx約5min，厚度為 150nm，最後再利用丙酮、甲醇、去離子水將光阻去除，達到類似Lift off的方式將 西格馬型環型波導上方絕緣層掀離。製程如下(圖3.16)。 圖3.16 成長SiNx製程圖 10.n-type基板研磨 為了要降低西格馬型環型雷射的操作及特性更好，我們需要將n-type基板磨薄 藉此降低元件的電阻。首先要依我們欲研磨的厚度來調整研磨台的高低落差，然 後將台座用烤盤加熱至90℃使石蠟溶化，將晶片圖形面跟石蠟沾黏好，使用研磨 30
機(圖3.18)並加入氧化鋁粉的溶液研磨基板背面研磨約150μm。完畢後，將晶片泡 入HCl:H2O2:H2O=1:1:10溶液中清洗殘餘的GaAs的顆粒。製程如下圖3.17。 圖3.17 n-type基板研磨 圖3.18 研磨機 11.電極金屬蒸鍍與退火 完成研磨晶片後，接著是背電極的蒸鍍，使用電子束蒸鍍機，蒸鍍的金屬為 AuGe/Ni/Au合金，厚度為5300Å；緊接著是將晶片波導面上蒸鍍Ti/Pt/Au合金，厚 度為為10500 Å。蒸鍍完畢後為了使AuGe/Ni/Au合金與Ti/Pt/Au能夠與晶片有良好 的歐姆接觸，使用ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機(圖3.20)，退火溫度為450 ℃。製程如下圖(3.19)
圖3.19 電極金屬蒸鍍
圖3.20 ULVAC MILA-3000 RTA快速退火機 12.晶圓切割 將完成的西格馬型環型雷射做劈裂，利用Karl SUSS-RA120晶圓切割機(圖3.21) 從雙圓形中間的波導結構切割、劈裂，讓西格馬型環型共振腔的輸出端為一完整 鏡面，即完成西格馬型環型雷射。 圖3.21 Karl SUSS-RA120晶圓切割機 32
第四章 西格馬型環型雷射輸出特性量測
4.1 量測系統簡介 4.1-1 電流-電壓量測系統 將製備完成的西格馬型環型雷射架設在探針座上，並使用HP4145B半導體參 數分析儀提供電壓並量測電流變化，搭配Labview程式控制讀取HP4145B上的資料。 儀器架設如圖4.1[1]。 圖4.1 電壓-電流量測系統 圖4.2 I-V量測圖 由圖4.2是完成西格馬型環型雷射的I-V量測圖，雷射晶片啟動電壓約1.7V。 334.1-2 光譜量測系統 圖4.3為光譜量測系統圖，利用HP8114A 脈衝產生器驅動雷射經由探針直接接 觸原件的電極(p-metal)，發出的光經由兩透鏡聚焦在多模光纖。再用Triax550 光譜 儀分析雷射光譜，並透過SpectraMax 軟體抓取資料，如圖4.5[1]。 圖4.3 光譜量測系統 圖4.4 雷射檢測平台 圖4.5 光譜儀(Triax550) 34
4.1-3 L-I 量測系統 我們可以藉由觀察L-I圖得到半導體雷射中臨界電流(threshold current)。我們架 設光功率-電流量測系統如圖4.6，利用HP8114A脈衝產生器為環型雷射驅動裝置， 提供脈衝電壓經由探針將電流灌入雷射晶粒，再串聯1歐姆電阻轉換出電壓訊號， 並經由Tektronix TDS2024示波器讀取訊號。雷射晶粒所發出的光經由透鏡聚焦於 光偵測器上，再將輸出的訊號連接至Tektronix TDS2024示波器讀取。而整套系統 藉由GPIB與電腦連線，由Labview程式控制脈衝產生器與示波器，讀取示波器量測 到的數據，再利用電腦運算繪出L-I圖[1]。 圖4.6 L-I量測系統 35
4.2 環型雙輸出雷射輸出模態量測 為了使量測時不會因有雙輸出的結構而產生錯亂，所以我們依西格馬型環型 共 振 腔 之 輸 特 性 將 出波 導 定 義 成 順 時 針 方向 (Clockwise ， CW) 與逆 時 針 方 向 (Counterclockwise，CCW)，其方向定義如圖4.7，4.8。 圖4.7 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 1 圖4.8 西格馬型環型雷射輸出端方向示意圖 Type 2 36
這次實驗脊型波導蝕刻高度約1μm，接下來將會針對順時鐘波導(cw)與逆時鐘 波導(ccw)的光譜、L-I等量測結果作討論。圖4.9為我們進行量測時的雷射波導模型 及相關尺寸。其中L1為非波導區的長度，L2為波導區的長度，D為環型共振腔直 徑，w為波導寬度。 圖4.9 量測雷射的相關尺寸圖 如我們之前所說透過結構上的改變，破壞其原本的對稱形狀，我們在環形共 振腔中多了一段 S 型或逆 S 型的脊狀波導，透過這個脊狀波導去將原本逆時鐘的 能量轉移至順時針方向或將原本順時鐘的能量轉移至逆時針方向，藉此去強化其 中一端的輸出達到控制的目的，我們在下面篇幅用一組傳統環形雷射來做參照 組。 37
在傳統環形雙輸出雷射當不同的環半徑(r)、直線波導長度( )、直線波導損 耗( )、環型波導耦合進線型波導的比例(T)及鏡面反射率(R)的改變，會有先滿 足順時針增益gcw(N)或是逆時鐘增益gccw(N)的問題。我們以環半徑為 400μm、直 線波導長度(500μm)的環型雙輸出雷射來作為觀察。 圖4.10 環型雷射雙輸出元件圖 圖4.11 Sample(A)示意圖 38
638 640 642 644 646 648 650 652 654 656 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 int ens ity (a. u. ) wavelength(nm) cw ccw 圖4.12 Sample(A)光譜圖 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 P O W E R (m W ) current(A) cw ccw 圖4.13 Sample(A)L-I圖 39
如我們之前所說的，環型雙輸出的順時鐘方向以及逆時鐘方向根據不同的Γ、 g(N)、α、T、R，順時鐘方向以及逆時鐘的輸出功率也會跟著不一樣，而在 SAMPLE(A) 的光譜與 L-I 看來，可以發現波長比較短的 CW 端對應的是相對高的功率，波長比 較長的 CCW 端對應的是相對低的功率。 我們接著以環半徑為 400μm 的西格馬型環型雙輸出雷射 Sample(B)如圖 4.14 來作為觀察。 圖4.14 西格馬型環型雷射雙輸出元件圖 Type1 圖4.15 Sample(B)示意圖 40
圖4.16 Sample(B) CW光譜圖
圖4.17 Sample(B) CCW光譜圖
圖4.18 Sample(B) L-I圖 在 Sample(B)的 L-I(圖 4.18)看來，可以看出 CW 端的功率遠高於 CCW 端，由 此我們推論出環形中的 S 型脊狀波導結構將 CCW 方向能量導入 CW，因此 CCW 端的功率降低而 CW 端的功率增強。圖 4.16 和圖 4.17 也可以看出在相同電壓條件 下，CW 端的光譜已經達成雷射程度，而 CCW 端在 22V 時仍只是 LED，透過光 譜可以再次印證 CW 端強度遠高於 CCW 端。 再由式 2-43: Pcw/Pccw=1 +(1−𝑅𝑅𝑇𝑇)�𝛼𝛼−Γ𝑔𝑔(𝑁𝑁)�+𝑇𝑇2𝑘𝑘 來計算 K 值，將 Pcw/Pccw=4、 (1 − RT)=0.89、�α − Γg(N)�= -0.2、T=0.5 代入計算，我們可以得到 K=0.483。 42
我們接著以環半徑為400μm 的西格馬型環型雙輸出雷射 Sample(C)如圖 4.19 來作為觀察。
圖4.19 西格馬型環型雷射雙輸出元件圖 Type2
圖4.20 Sample(C)示意圖
圖4.21 Sample(C) CW光譜圖
圖4.22 Sample(C) CCW光譜圖
圖4.23 Sample(C) L-I圖 在 Sample(C)的 L-I 看來，可以看出 CCW 端的功率遠高於 CW 端，由此我們 推論出環形中的逆 S 型脊狀波導結構將 CW 方向能量導入 CCW，因此 CW 端的功 率降低而 CCW 端的功率增強。圖 4.21 和圖 4.22 也可以看出在相同電壓條件下， CCW 端的光譜已經達成雷射程度，而 CW 端在 30V 時仍只是 LED，透過光譜可 以再次印證 CCW 端強度遠高於 CW 端。 再由式 2-43: Pcw/Pccw=1 +(1−𝑅𝑅𝑇𝑇)�𝛼𝛼−Γ𝑔𝑔(𝑁𝑁)�+𝑇𝑇2𝑘𝑘 來計算 K 值，將 Pcw/Pccw=4、 (1 − RT)=0.89、�α − Γg(N)�= -0.2、T=0.5 代入計算，我們可以得到 K=0.483。 45
我們接著以環半徑為400μm 的西格馬型環型單輸出雷射 Sample(D)和如圖 4.24 和傳統環型單輸出雷射 Sample(E)如圖 4.25 來做比較。
圖4.24 Sample(D) 示意圖
圖4.25 Sample(E) 示意圖
圖4.26 單輸出L-I強度比較圖 由前面的推論中圖 4.24 環形中的逆 S 型脊狀波導結構會將 CW 方向能量導入 CCW，因此 CW 端的功率降低而 CCW 端的功率增強，由圖 4.26 的 L-I 比較圖中 我們可以發現，在單輸出的情況下，西格馬型環型單輸出雷射元件的功率遠高於 傳統環型單輸出雷射元件，由此可以印證不論是在雙輸出結構上或單輸出結構， 環形中的 S 型脊狀波導結構皆能產生效果。 47
第五章 結論與未來展望
本論文主要研究西格馬型雙輸出半導體雷射元件之輸出特性，由於傳統雙輸 出環型雷射其輸出強弱端與製程和光學波導特性參數Γ、g(N)、α 、T、R 等的不 一致造成兩波導端雷射輸出光譜和強度的不同。本論文透過波導結構的改變，改 變環型共振腔的對稱性，將一特定方向的環形共振腔光束引導到另一方向，藉此 抑制一特定方向環形共振腔的光強度，實驗中透過 L-I 及光譜分析可以證實西格馬 型雙輸出半導體環型雷射的結構可以有效加強或抑制一特定方向的輸出功率，另 外，我們也建立一簡單的西格瑪波導環型雷射發光速率的數學模型，以驗證實驗 有關西格瑪波導雙輸出環型共振腔雷射兩輸出端的光強度比值，透過西格瑪波導 可以將環形共振腔其中一特定方向的光強度引導到一定方向的 Y 型波導輸出端， 提高環形雷射的輸出效率與輸出控制選擇，這是本論文在環形半導體雷射二極體 研究的一個新突破。 48參考資料
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[11] M.C. Shih and S.C. Wang, “Fabrication of AlGaInP Circular Ring Laser Resonators by Excimer–Laser-Assisted Etching at Cryogenic Temperature” Jpn. J. Appl. Phys. 47(2008)2957.
[12] 陳正森 “雙輸出環型半導體元件之光電特性量測與研究” p44-46. [13] 郭文泉“氮化銦鎵/氮化鎵多層量子井之光學特性研究” p6.
[14] M.C. Shih,S.C. Wang,C.E.Ho, “Soliton Generation in a Semiconductor Circular Ring Laser with a Y-Junction Coupler,” Japanese Journal of Applied Physics 48(2009).
[15] 黃調元譯，施敏原作”半導體元件物理與製作技術”,p467-468. [16] DaviD WooD,“Optoelectronic Semiconductor Devices,” p125-135. [17] 楊國輝、黃宏彥“雷射原理與量測概論”p58-65.
