行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
下世代乙太網路(100G 位元率)的多波長半導體雷射陣列的 研究(2/2)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 95-2218-E-011-014-
執 行 期 間 ： 95 年 02 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電子工程系
計 畫 主 持 人 ： 李三良
計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理：潘彥廷、洪勇智、姚久琳
報 告 附 件 ： 國外研究心得報告
國際合作計畫研究心得報告
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 96 年 12 月 10 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■■■■ 成 果 報 告成 果 報 告成 果 報 告成 果 報 告
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□期中進度報告期中進度報告期中進度報告期中進度報告 下世代乙太網路(100G 位元)的多波長半導體雷射陣列的研究
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95 2218 E 011 014
執行期間： 95 年 2 月 1 日至 96 年 7 月 31 日
計畫主持人：李三良 共同主持人：
計畫參與人員：潘彥廷、洪勇智、姚久琳
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
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
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：國立台灣科技大學/電子工程系
中 華 民 國 九十六 年 十 月 十五 日
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關鍵詞：分佈布拉格反射式雷射、選擇區域磊晶技術。
本計劃之目的在於設計製作適用於光通訊乙太網路的雷射陣列，以達成總通道容量為 100GHz 之目標。為使元件具高旁模抑制比之單模輸出，須利用分佈布拉格反射式雷射組成雷 射陣列，為降低成本，光柵的製作將採用單次全像術曝光技術以簡化光柵製程。
由於 100Gbps 乙太網路的標準尚處於討論階段，我們設定目標為 40 波長及 10 個波長兩種 選擇，就 10 個波長的雷射陣列，波長間隔可選擇為 10nm，而 40 個波長雷射的波長間距可選為 3.2 nm(400GHz)，整個雷射陣列的波長範圍將涵蓋 100nm，因此雷射增益及光柵對應波長皆須 大於 100nm。
經評估後，將使用選擇區域磊晶技術改變材料增益波長，並使用取樣光柵技術改變光柵波 長，以製成低成本高效率的雷射陣列，選擇磊晶技術將委由東京大學中野教授協助，而取樣光 柵將由本實驗室自行製作。由於國內對於選擇性區域磊晶技術之研發經驗尚未成熟，相對於此，
日本東京大學相關技術之研發團隊已有多年的實作經驗，藉由本計劃之國際性學術交流引進此 技術，能有效地縮短國內相關性產業研發的時間，而選擇性域磊晶技術之應用層面甚廣，舉凡 如光調變器或光放大器等光通訊元件，均可搭配此技術製作，未來更進一步的規劃，可利用此 技術將光通訊之主、被動元件進行積體化，除縮減元件體積外，更能有效的降低製作成本，提 供國內光通訊產業新的商業契機。
（（
（（二二二二）））） 計畫英文摘要計畫英文摘要計畫英文摘要。計畫英文摘要。。。（（五百字以內（（五百字以內五百字以內）五百字以內）））
Key words：Distributed Bragg Reflector lasers、Selective area growth
We design and fabricate low-cost and high-performance laser arrays for applications in next-generation 100Gbps Ethernet networks. In order to provide single-mode operation, the laser array will be formed with Distributed Bragg Reflector (DBR) type lasers. Single-step holographic exposure instead of e-beam writing will be used to fabricate the gratings.
To lower the cost, the laser wavelength must have large tolerance to the change of operation conditions. We will fabricate 10-nm-spaced 10-laser arrays, and 3.2-nm-spaced 40-laser arrays.
For both cases, the gain material and grating pitch must be varied to cover >100nm wavelength.
We use the selective-area-growth (SAG) technique to vary the material gain and use the sampling grating (SG) technique to vary the laser wavelength across an array. These two techniques can realize laser arrays with high performance and low cost. The SAG technique carried out by Prof. Nakano’s group of University of Tokyo, and the SG technique will be
performed in our laboratory. This project combines the unique techniques developed by University of Tokyo and NTUST to realize laser arrays for 100Gbps Ethernet, which will be used in next-generation Metro networks.
一 一 一
一、、、、 研究成果研究成果研究成果研究成果 (一) 簡介
為符合下世代頻寬的需求，本計劃以設計製作 100GHz 之光通訊乙太網路的 100GHz 之為目標。由於可調式單模雷射陣列具有波長可調的優勢以及耦合封裝的便利性，為提升 通訊品質與降低製作成本，因此在主動式光源的結構設計上，我們預期利用分佈布拉格反 射式雷射(Distributed Bragg Reflector type lasers)來組成雷射陣列。
由於 100Gbps 乙太網路的標準尚處於討論階段，我們設定目標為 40 波長及 10 個波長兩種 選擇，就 10 個波長的雷射陣列，波長間隔可選擇為 10nm，而 40 個波長雷射的波長間距可選為 3.2 nm(400GHz)，整個雷射陣列的波長範圍將涵蓋 100nm，因此雷射增益及光柵對應波長皆須 大於 100nm。
光柵製作方面，在波長寬達 100nm 以上的範圍內製作多波長的雷射陣列時，取樣光柵 (Sampled Gratings)的技術兼備有大幅度波長變動的光源輸出特性以及製作快速簡易的優 勢，因此本計劃在國內的部份，首將著重於取樣光柵技術方面的設計，為使元件具高旁模抑 制比之單模輸出，須利用分佈布拉格反射式雷射搭配取樣光柵組成雷射陣列，如圖 1-1 所示。而為降低成本，光柵的製作將採用單次全像術曝光技術以簡化光柵製程。
Fig. 1-1 新型取樣光柵之分佈式布拉格反射雷射陣列示意圖
材料的規劃部分，一般較佳的雷射增益頻寬峰值僅涵蓋約 40nm 之範圍，欲於單晶片上達 成增益頻寬峰值高達 100nm 以上的範圍，以選擇性區域磊晶(Selective Area Growth, SAG)技 術為目前維持元件品質上最佳的技術，惟此技術的研發需具有相當經驗的磊晶研發團隊來進 行規劃設計，日本東京大學從事研發選擇性區域磊晶技術已多年，累積了相當的實作經驗，
因此在材料方面的設計部分是由我們國內的研究團隊來進行模擬設計，在磊晶的部份則由日本 東京大學方面進行選擇性區域磊晶技術的實作條件測試，由於 100Gbps 乙太網路的標準
尚處於討論階段，我們設定目標為 12 個波長的雷射陣列，波長間隔可選擇為 10nm，整 個雷射陣列的波長範圍將涵蓋 100nm，如圖 1-2 所示，因此雷射增益及光柵對應波長皆 須大於 100nm。
Fig. 1-2 六組增益峰值材料對應之十二通道波長簡單示意圖
綜而言之，在材料增益方面，使用選擇區域磊晶技術改變材料增益波長，在光柵設計製作 方面，則使用取樣光柵技術改變光柵波長，以製成低成本高效率的雷射陣列。
(二) 選擇性區域磊晶設計
選擇性區域磊晶(Selective Area Growth, SAG)技術是藉由在磊晶前的晶片基座上製作 遮罩，遮罩使用二氧化矽(SiO2)或是氮矽化合物(SiNX)的材料，厚度約為 100~200nm 左右，
以控制反應氣體的流量、遮罩寬度與遮罩間隙的寬度，可沉積出不同發光能隙的材質於遮 罩間隙中。以上的控制變因均是影響沉積速度的操作參數。在晶片基座上製作遮罩的主要 目的在於氣相沉積時，依遮罩寬度與遮罩間隙寬度的不同，有不同的沉積速率。一般而言，
當遮罩寬度愈寬，其鄰近的晶片表面有較快的沉積速率，而當遮罩間隙寬度愈寬，此間隙 間晶片表面的沉積速率愈慢。當沉積速率愈快，同一時間下所成長出量子井的厚度愈厚，
基於量子理論，載子在量子井中的躍遷能隙減小，發光波長則較長。
本研究在實作上之條件，是將厚度約 170nm 之二氧化矽遮罩以平行於[011]之方向成長 在(100)之磷化銦(InP)基座上，如圖 2-1 所示，Wgap為兩二氧化矽遮罩間距，Wmask則為二 氧化矽遮罩的寬度，藉由控制 Wmask的寬度，可以改變每一個通道磊晶出來的材料能隙，
一般而言，當的寬度愈大，所磊晶來的材料能隙愈小，發光波長愈長，能達到材料增益峰 值達到 100nm 以上的位移。
Fig. 2-1 區域選擇磊晶技術截面示意圖
為實現材料增益峰值達到 100nm 的位移目標，共規劃六組不同之 Wmask的寬度，如表
2-1 所示，在固定 Wgap為 15µm 之條件下，Wmask與 Wgap之比值由通道一至通道六分別為 0.7、1.1、1.6、2.1、2.5 與 3.0，預期所成長出來之材料增益峰值分別為 1470nm、1490nm、
1510nm、1530nm、1550nm 與 1570nm 共六組相鄰間距為 20nm 之材料增益，增益峰值位移 總共為 100nm。
Table2-1. SAG 之 SiO2 遮罩與材料增益峰值波長對應表(Planar PL Peak @ 1425 nm) Channel no. Channel 1 Channel 2 Channel 3 Channel 4 Channel 5 Channel 6 Setting Peak (nm) 1470 1490 1510 1530 1550 1570
Wmask (µm) 10.5 16.5 24 31.5 37.5 45
Wgap (µm) 15 15 15 15 15 15
Wmask / Wgap 0.7 1.1 1.6 2.1 2.5 3
PL Peak Result (nm) 1465 1485 1510 1535 1555 1566.7
表 2-1 中，預設在無 SAG 的區域所成長的材料增益峰值波長為 1425nm，此波長之能 隙較大，因此形成一低損耗之被動區域，此範圍區域可規劃製作相位區與光柵區，如圖 2-2 所示。
Fig. 2-2 六組條件區域選擇磊晶技術之主被動區域規劃示意圖
如圖 1-2 所示目標，每ㄧ組 SAG 條件可提供兩顆雷射所需之材料增益，因此共可提供 12 顆雷射所需，每顆雷射波長間距為 10nm，所以在光罩的設計上共規劃有 12 個波長，每 兩顆雷射使用同一組 SAG 條件，並且以背對背形式設計，以節省空間上的規劃，如圖 2-3 所示。
250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250
100+300+300+100=800 m Gain Peak @ 1470 nm
Gain Phase Grating Phase Gain Phase
Phase
500+500=1000 m
Gain Peak @ 1490 nm
Gain Peak @ 1510 nm
Gain Peak @ 1530 nm
Gain Peak @ 1550 nm
Gain Peak @ 1570 nm No. 01
No. 02 No. 03 No. 04 No. 05 No. 06 No. 07 No. 08 No. 09 No. 10 No. 11 No. 12
Fig. 2-3 區域選擇磊晶技術之光罩設計示意圖
為清楚的確認 SAG 技術中每ㄧ組條件材料增益的變化情形，在此以微米級光激螢光
(Micro-Plotoluminescene, µ-PL)量測系統觀察材料增益波長的變化與長晶品質的優劣情形，
圖 2-4 所示為每組 SAG 條件在正中心點的光激螢光頻譜，由通道ㄧ至通道六頻譜峰值分別 為 1465.0nm、1485.0nm、1510.0m、1535.0nm、1555nm 與 1566.7nm，而無 SAG 之被動區 域頻譜峰值波長則為 1425nm，就單一組 SAG 條件而言，均有些微之波長誤差，但皆在可 接受之範圍，而整體而言，材料峰值波長已達 100nm 以上之位移，並且在光激螢光頻譜的 強度上，可判斷出每組材料並無明顯之劣化情形，因此這組 SAG 條件能符合我們元件上的 需求。
0 5000 1 104 1.5 104 2 104
1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650
Planar, PL Peak @ 1425 nm Ch1, PL Peak @ 1465 nm Ch2, PL Peak @ 1485 nm Ch3, PL Peak @ 1510 nm Ch4, PL Peak @ 1535 nm Ch5, PL Peak @ 1555 nm Ch6, PL Peak @ 1566.7 nm
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
(a) (b)
Fig. 2-4 (a)六組 SAG 條件之光激螢光量測點示意圖 (b)六組 SAG 條件之光激螢光頻譜
在靠近無 SAG 邊緣往 SAG 中心方向之光激螢光頻譜的峰值波長變化的變化趨勢如圖 2-5 所示，在靠近邊緣的地方，峰值波長偏向較短波長，越接近中心位置，其波長漸往長波 長變化而趨向穩定，其過渡長度約為 100µm 左右。
1400 1440 1480 1520 1560
0 100 200 300 400 500
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6
Peak Wavelength (nm)
Position (µm)
(a) (b)
Fig. 2-5 (a)中心方向光激螢光量測示意圖 (b) 中心方向光激螢光峰值波長與位置關係圖
在 SAG 區域中截面方向之光激螢光頻譜的峰值波長變化的變化趨勢如圖 2-6 所示，由
於此區域之品質均勻度涉及脊狀波導寬度所定義的大小，因此除觀察峰值波長變化外，亦 觀察峰值強度的變化，如圖所示，越遠離中心點之位置，其峰值波長偏向長波長，並且峰 值強度迅速的衰減，以峰值強度而言，其過渡區長度約 3µm 左右，此即意味脊狀波導寬度 最大可至 9 µm 左右在材料上仍保有不錯的品質。
1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620
0 1 2 3 4 5 6 7
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6
Peak Wavelength (nm)
Position (µm) (a) (b)
0 2000 4000 6000 8000 1 104 1.2 104 1.4 104
1400 1450 1500 1550 1600 1650
Position @ 5 µm Position @ 4 µm Position @ 3 µm Position @ 2 µm Position @ 1 µm
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
(c) (d)
Fig. 2-6 (a)截面方向光激螢光量測示意圖 (b)截面方向光激螢光峰值波長與位置關係圖 (c)截面方向光激螢光峰值強度與位置關係圖 (d)第六組 SAG 條件下光激螢光峰值頻譜 綜合以上光激螢光頻譜的觀察結果，在峰值波長偏移共計 101.7nm，因此 SAG 技術不 但具備大幅度的增益峰值偏移優勢，並且也提供極佳的材料品質，搭配本研究的六組條件 設計下，極符合欲製作之雷射陣列元件所需的材料增益。
(三) 取樣光柵設計
一般的 DBR 雷射最大可調波長範圍約為 17nm，在一些需要大範圍波長可調的場合，則會 使用取樣型光柵分佈式布拉格反射雷射，由於 SGDBR 雷射在增益區的兩邊包含不同取樣週期
的鏡面，所以整個雷射的尺寸無法縮小。為降低元件尺寸，本實驗室另提出一種新型的雷射架 構，整個雷射包含增益區、相位區、及具波長位移層串接式取樣光柵區，如圖 3-1 所示。此鏡 面包含兩個不同取樣週期的光柵區域，兩個區域的反射率頻譜尖峰對準處可藉由位移層技術而 任意改變，因此可以任意控制發光的波長。然而兩區域的反射率頻譜並不是相乘積的關係，而 是類似疊加的效果。雖然雷射的鏡面最大反射率出現在 mode -1 處，但布拉格波長處仍有不少 的殘餘反射量。所以串接式取樣光柵在旁模抑制比的表現需要深入的探討。
(a) (b)
Fig. 2-7 (a)新型取樣光柵結構示意圖 (b)磊晶結構截面方向示意圖
由於設定目標為 12 個波長的雷射陣列，通道波長間隔為 10nm，整個雷射陣列的波長範圍 將涵蓋 120nm，圖 2-8 所示為 12 個波長的新型取樣光柵設計，12 個波長依序從最短至最長波 長為 1460nm、1470nm、1480nm、1490nm、1500nm、1510nm、1520nm、1530nm、1540nm、
1550nm、1560nm 與 1570nm。
P = 4 nm
1520
1460 Wavelength (nm)
P1 = 60 nm P2 = 28 nm
1520
1470 Wavelength (nm)
P1 = 50 nm P2 = 46 nm
1520
1480 Wavelength (nm)
P1 = 40 nm P2 = 36 nm
1520
1490 Wavelength (nm)
P1 = 30 nm P2 = 26 nm
1520
1500 Wavelength (nm)
P1 = 20 nm P2 = 16 nm
1520
1510 Wavelength (nm)
P1 = 10 nm P2 = 6 nm Lasing @ 1510 nm
Lasing @ 1500 nm Lasing @ 1490 nm Lasing @ 1480 nm Lasing @ 1470 nm Lasing @ 1460 nm
1520 Wavelength (nm)
P1 = 40 nm P2 = 41 nm
1520 1530 Wavelength (nm)
P1 = 10 nm P2 = 14 nm
1520 1540 Wavelength (nm)
P1 = 20 nm P2 = 24 nm
1520 1550 Wavelength (nm)
P1 = 30 nm P2 = 34 nm
1520 1560 Wavelength (nm)
P1 = 40 nm P2 = 44 nm
1520 1570 Wavelength (nm)
P1 = 50 nm P2 = 54 nm Lasing @ 1570 nm
Lasing @ 1560 nm Lasing @ 1550 nm Lasing @ 1540 nm Lasing @ 1530 nm Lasing @ 1520 nm
Fig. 3-2 12 個波長取樣光柵設計示意圖
為確定每個取樣光柵的反射率是否可達目標反射量，我們同時以程式驗證圖 3-2 的 12 個 通道所設計的取樣光柵之光反射量的情形，圖中不同的顏色分別代表不同的通道波長，如圖 3-3
所示。
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600
1460 nm 1470 nm 1480 nm 1490 nm 1500 nm 1510 nm 1520 nm 1530 nm 1540 nm 1550 nm 1560 nm 1570 nm
Power Reflectivity
Wavelength (nm)
Fig.3-3 12 個不同之通道波長之光反射率模擬値
由於新型取樣光柵反射式布拉格雷射，需藉由位移層來造成折射率的差異，因位移層造成 之折射率的差異會形成布拉格波長的漂移，我們定義此層為 BWD 層(Bragg wavelength detuned，BWD)。由於兩取樣光柵區因為 BWD 層的差異，會對光的耦合係數造成差異，圖 3-4(a) 即為具 BWD 層之結構與無 BWD 層之結構的耦合係數對光柵蝕刻深度的影響，而如將結構同 時對雙區域光柵進行蝕刻，由圖 3-4(b)可觀察實際結構的耦合係數對光柵蝕刻深度的影響。
0 10 20 30 40 50 60 70
0 10 20 30 40 50 60
Structure w/o BWD Layer Structure with BWD Layer
Coupling Coefficient κ (cm-1)
Etching Depth of Grating Layer (nm)
0 20 40 60 80 100 120 140
0 20 40 60 80 100 120 140
Structure w/o BWD Layer Structure with BWD Layer
Coupling Coefficient (cm-1 )
Etching Depth of Grating Layer (nm)
(a) (b)
Fig.3-4 (a)BWD 層之結構與無 BWD 層之結構的耦合係數對光柵蝕刻深度關係圖 (b)實際結構同時對雙區域光柵進行蝕刻之耦合係數對光柵蝕刻深度的關係圖
由 BWD 層的厚度變化對應到布拉格波長與等效折射率的影響可由圖 3-5 觀察到，由圖所
知，可以根據所需之布拉格波長而設定我們所需之 BWD 層的厚度。
3.208 3.212 3.216 3.22 3.224 3.228
1512 1514 1516 1518 1520 1522
0 20 40 60 80 100
Effective Refractive Index Bragg Wavelength w/o BWD Layer (nm)
Thickness of BWD Layer (nm)
Fig.3-5 BWD 層的厚度變化對應到布拉格波長與等效折射率的關係圖
新型取樣光柵雷射主結構的設計上，兩端鏡面所造成的光反射率，會直接影響到光的輸 出功率值，圖 3-6(a)(b)，分別代表注入電流在 60mA 與 120mA 下，如欲形成不同的輸出光功率，
所需控制之兩端光反射率値。
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Pout=4mW Pout=3mW Pout=2mW Pout=1mW
Back Facet Reflection of Main Mode
Front Facet Reflection of Main Mode
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Pout=15mW Pout=10mW Pout=5mW
Back Facet Reflection of Main Mode
Front Facet Reflection of Main Mode
(a) (b)
圖 3-6 (a)注入電流在 60mA (b)注入電流在 120mA 下，不同的輸出光功率，所需控制之兩端光反射率値
同時我們也針對旁模抑制比對兩端光反射率的影響，當控制旁模抑制比在 40dB 時，主 模與旁模的鏡面損耗差值即為影響旁模抑制比的主要因素，圖 3-7 所示即為兩端光反射率値在 不同的鏡面損耗差值控制下，仍維持旁模抑制比在 40dB 的關係圖。結合圖 3-6 與圖 3-7，則可 歸納出可行之作用區，如圖 3-8 所示。
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
∆αm=10cm-1
∆αm=5cm-1
∆αm=0cm-1
Back Facet Reflection of Main Mode
Front Facet Reflection of Main Mode
圖 3-7 兩端光反射率値在不同的鏡面損耗差值控制下，旁模抑制比在 40dB 的關係圖
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
∆αm=3.0cm-1 Pout=10mW
Back Facet Reflection of Main Mode
Front Facet Reflection of Main Mode
圖 3-8 注入電流在 120mA，輸出光功率 10mW，旁模抑制比在 40Db 時所需控制之兩端光反射率値 取樣光柵中取樣週期的變化亦為影響元件特性的重要因素，圖 3-9 所示分別為取樣光柵ㄧ與 取樣光柵二的帶寬以及旁模抑制比受取樣週期的影響，如圖所示旁模抑制比在取樣週期約 0.2 ~ 0.3 為最佳。
36 38 40 42 44 46
0 1 2 3 4 5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
SMSR
Spectral Bandwidth of SG1 Spectral Bandwidth of SG2 Cavity Mode Spacing
SMSR (dB) Wavelength Spacing (nm)
Sampling Duty Cycle 圖 3-9 旁模抑制比與受取樣週期的關係圖
同時我們並根據取樣週期的變化與雷射之臨界電流以及差分量子效率的關係進行分析，圖 3-10 所示即為相關的變化關係圖，可由圖中得知取樣周期大於 0.3 後，臨界電流以及差分量子 效率之數值趨近於飽和的現象。
0 10 20 30 40 50
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Threshold Modal Gain (cm-1) Differential Quantum Efficiency
Sampling Duty Cycle
圖 3-10 取樣週期的變化與雷射之臨界電流以及差分量子效率的關係圖
在取樣週期對主模與次大旁模造成波長變化的敏感度與旁模抑制比的變化，可由圖 3-11 所示之資訊以取得最佳點，藉由圖中的最佳點分析，我們可決定最高之旁模抑制比的取決點即 為取樣週期在 0.25 為最佳值。
42 42.5 43 43.5 44
1508 1510 1512 1514 1516 1518 1520 1522
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Lasing ModeB Max. Side Mode
SMSR (dB) Wavelength (nm)
Sampling Duty Cycle
圖 3-11 取樣週期對主模與次大旁模造成波長變化與旁模抑制比的關係圖
最後並針對磊晶結構中 BWD 的厚度對臨界電流與旁模抑制比的影響進行分析，如圖 3-12 所示，如圖中分析得知，BWD 厚度的變化會造成臨界電流與旁模抑制比週期性的變化。BWD 厚度決定後，再針對光柵蝕刻的深度對旁模抑制比與光耦合係數的關係進行分析，如圖 3-13 所示，故可得知最佳光柵蝕刻深度為 60nm 具有較高之旁模抑制比。
36 38 40 42 44
35 40 45 50 55 60
0 10 20 30 40 50 60 70
SMSR (dB) Threshold Current (mA)
Thickness of BWD (A)
圖 3-12 BWD 厚度對臨界電流與旁模抑制比的關係圖
41 41.5 42 42.5 43 43.5 44 44.5 45
40 80 120 160 200
40 50 60 70 80 90 100
SMSR (dB) Coupling Coefficient (cm -1)
Etching Depth of Grating Layer (nm)
圖 3-13 光柵蝕刻的深度對旁模抑制比與光耦合係數的關係圖
(四) 總結
本計畫中已成功運用取樣型光柵分佈布拉格反射雷射設計出僅以單電極操作下，可輸出 符合 CWDM 系統下之 12 個波長間距為 10 nm 的規範，並藉由計算分析的結果中，歸納出 取樣週期、BWD 層厚度、光柵蝕刻深度與兩端鏡面反射值之最佳點。而在寬幅雷射材料 增益的設計上，則赴日本東京大學從事研發選擇性區域磊晶技術，並順利設計製作出由通 道ㄧ至通道六頻譜峰值分別為 1465.0nm、1485.0nm、1510.0m、1535.0nm、1555nm 與 1566.7nm 等寬增益的晶片材料，在峰值波長偏移共計 101.7nm，因此 SAG 技術 不但具備大幅度的增益峰值偏移優勢，並且也提供極佳的材料品質，搭配本研究的
六組條件設計下，極符合欲製作之雷射陣列元件所需的材料增益。
（五）成果發表
已發表研討會論文三篇，其中包括兩篇國際研討會邀請論文(invited talk)，以及 一篇期刊論文，其他成果正整理以發表。
1. San-Liang Lee and Yen-Ting Pan, “Photonic Integrated Tunable Laser Sources for Optical Networks,” MBE Taiwan 2007, NSYSU, May , 2007 2. San-Liang Lee, Yen-Ting Pan, Yung-Jr Hung, Chiu-Lin Yao, Chun-Hung Cheng, and
Shuen-Te Ji, “Trend and Applications of Tunable Semiconductor Lasers,” APOC 2007
3. San-Liang Lee, Y.-T. Pan, Y.-J. Hung, C.-L. Yao, C.-H. Cheng, and S.-T. Ji, “Tunable Laser Diodes and Their Applications in Optical Networks and Gas Sensing,”
IWAON 2007
4. C.-L. Yao, S.-L. Lee, I.-F. Jang, W.-J. Ho, “Wavelength selectable lasers with bragg-wavelength detuned sampled-grating reflectors,” J. Lightwave Technol., vol.
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5. Yen-Ting Pan, San-Liang Lee, , Yoshiaki Nakano., Jesse Darja., and Shu-Rong Wang,
“Design of Selective area MOVPE Material for Fabricating S-Band AND C-Band CWDM Light Sources,” OptoElectronics and Communication Conference , paper AP-058, Taiwan, Nov. 2007.
二二
二二、、、、 參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻
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行政院國家科學委員會補助國內專家學者出席國際學術會議報告
96 年 5 月 20 日
報 告 人
姓 名
李 三 良
服務機構
及 職 稱
國立台灣科技大學電子系 教 授
時間 會 議
地點
96年4月15日至95年4月18日 日本 東京大學
行 程 4/15 抵東京
4/16 赴位於東京大學駶場分校（Komaba campus）的先端科技研究所(RCAST) 訪問
4/17 赴日立公司的中央研究所訪問，討論合作事宜，並參觀實驗室設施 4/18 返台
一、訪問經過
2007/04/15 19:00 搭機抵達日本東京
10:00~13:00 與派遣至東大研習的學生會面午敘，並 瞭解計畫執行進度
14:00~17:00 協同派遣至東大研習的學生與Yoshiaki Nakano 教授會面，雙方針對目前計畫執 行成果進行詳談
17:30~19:00 與Yoshiaki Nakano 教授晚餐，並瞭解雙 方日後合作的可行性
2007/04/16
19:00~20:00 搭車返回飯店
8:30~10:00 與 派 遣 至 東 大 研 習 的 學 生 搭 車 前 往 Hitachi 研究中心
10:00~12:00 與 Hitachi 相關的人員會面，進行學術 交流，並瞭解雙方日後合作的可行性 12:00~13:00 與 Hitachi 相關的人員共進午餐 13:00~15:30 由 Hitachi 相關的人員導引下，參觀
Hitachi 研究園區 2007/04/17
15:30~17:00 返回飯店休息 2007/04/18 11:00 搭機返回台灣 4月15日
東京大學駶場分校位於東京都郊區，離澀谷區很近，從所住的飯店到該分校僅須坐火車兩站。
先端科技研究所(RCAST)位於駶場分校的第二校區。RCAST是由來自於十餘個東京大學不同系所 的二十餘位教授所組成，從事基礎且尖端的研究，其運作方式可供台灣各大學正在發展的頂尖 中心參考。
當天在先端科技研究所先與正在此地進行實驗的博士班學生潘彥廷碰面，討論合作研究的進行 情況。潘同學已是第二次到東京大學進行研究，在使用選擇性磊晶技術製作多波長雷射的技術
已有大幅進展，能成長出我們需要的波長材料，並已進行量測。並詳細討論實驗成果及所遭遇 困難。
下午與Yoshiaki Nakano（中野義昭）教授會面，雙方針對過去一年合作進度，討論技術細節及目前 計畫執行成果，由於中野教授從事選擇性磊晶技術成長的學生已畢業離開，雙方合作的配合較為 困難，因此造成執行進度的落後。中野教授已指派新的學生協助。
當天晚上由中野義昭教授招待至東大教職員招待所的法國餐廳用餐，聊到許多日本與台灣的民 情風俗，賓主盡歡，相當盡興。並由中野帶領參觀研究設備，其實驗室擁有相當先進的電子束 直寫（E-beam writer）設備及電子顯微鏡等貴重設備。中野教授除了光電半導體的製程設備 外，也擁有40G以上的訊號傳輸量測設備，因其主持一個由政府補助，產官學合作的高速光開 關的大型研究計劃，包括多家日本知名的光通訊元件與系統公司皆參與其中，許多核心的光電 元件、如光閘開關及波導光放大器等，皆由產業界的研發團隊製作提供，無法在市場購買。尤 其團隊的現場展示，成果相當突出。我們也在國科會補助下進行一項相當類似的研究計畫，但 以經費額度及參與的人力質量，皆無法與其相比。下午由其研究員帶領參觀位於地下室的無塵 室，中野教授的研究群擁有兩台MOCVD，一台先進的ICP RIE，其餘為標準光電元件製程設備。
整體而言，其設備相當完整，在台灣學術界很少有人能擁有這麼好的設備。
4月16日
與學生赴位於東京西郊的Hitachi中央研究所參訪，此行是透過中野教授介紹認識的Hideo Aromoto博士安排，並拜會其主管Shinji Tsuji博士。由於Hitachi在我們與中野教授合作相關的元 件方面也有相當不錯的研發成果，並在短腔可調式雷射方面有領先國際的成果。此行主要與相 關的人員會面，進行學術交流，並瞭解雙方日後合作的可行性。討論完後，與Hitachi相關的人員 共進午餐，並由Hitachi相關的人員導引下，參觀Hitachi研究園區。
參訪後續發展：與Hitachi達成協議，將由其提供所開發的短腔可調式雷射，供本實驗室進行光 網路性能監控使用。
心得：
中野教授除了光電半導體的製程設備外，也擁有 40G 以上的訊號傳輸量測設備，因其主持一個 由政府補助，產官學合作的高速光開關的大型研究計劃，包括多家日本知名的光通訊元件與系 統公司（如本次參訪的日立公司）皆參與其中，許多核心的光電元件、如光閘開關及波導光放 大器等，皆由產業界的研發團隊製作提供，無法在市場購買。尤其團隊的現場展示，成果相當 突出。我們也在國科會補助下進行一項相當類似的研究計畫，但以經費額度及參與的人力質量，
皆無法與其相比。中野教授的研究群擁有兩台 MOCVD，一台先進的 ICP RIE，其餘為標準光電元 件製程設備。整體而言，其設備相當完整，在台灣學術界很少有人能擁有這麼好的設備。而在 台灣因光通訊前些年的不景氣，工研院及中華電信研究所等大型研究機構皆已大幅減少在光網 路的研究，較之日立等公司的積極投入，有相當明顯對比。
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
第二年度
赴日本東京大學研習心得報告
撰寫人：潘彥廷
單位：國立台灣科技大學/電子工程系
中 華 民 國 九十六 年 十 月 十六 日
一一
一一、、、、 前言前言前言前言
為符合下世代頻寬的需求，本實驗室積極的進行提昇光通訊品質相關性的研究，尤其在主 動性光源部份的研發，已經朝向數個前瞻性技術多方面的嘗試，而此次計劃”下世代乙太網路 (100G 位元)的多波長半導體雷射陣列的研究”中所規劃的研發方向，分別結合本實驗室與日本 東京大學中野研究室之取樣光柵技術與選擇區域磊晶技術，進行製作多波長之半導體雷射陣 列，不僅為本實驗室第一次與國外技術交流的拓展，而東京大學中野研究室所具有之選擇區域 磊晶技術，亦為全球少有之前瞻性技術，藉由此次計畫的技術交流，相信對光通訊元件技術上 的提升方面，極具意義性。
二二
二二、、、、 研習過程研習過程研習過程研習過程
敝人因此次計畫的補助，有幸得以再次拜訪東京大學中野研究室進行技術性交流兩個 月，由於本次為第二次到東京大學進行研究，有許多相關基礎的磊晶設備已經熟習，因此本次 研發重點在於設計實作可符合 100G 位元的寬增益材料結構，詳細的研習過程如下:
(1) 磊晶光罩的設計與製作
由於東京大學可以自行設計製作光罩，因此在與東京大學的研究團隊討論過後，決定自行 設計研發符合本計畫的光罩，包括選擇區域磊晶條件測試光罩與實作元件光罩，圖一即為簡單 的光罩設計示意圖。
圖一 光罩設計示意圖 (2) 選擇區域磊晶技術的設計與測試
前往東大校本部進行磊晶測試，為清楚的確認 SAG 技術中每ㄧ組條件材料增益的變化情 形，在磊晶完成後以微米級光激螢光(Micro-Plotoluminescene, µ-PL)量測系統觀察材料增益 波長的變化與長晶品質的優劣情形，由通道ㄧ至通道六頻譜峰值分別為 1465.0nm、
1485.0nm、1510.0m、1535.0nm、1555nm 與 1566.7nm，而無 SAG 之被動區域頻譜峰值波 長則為 1425nm，就單一組 SAG 條件而言，均有些微之波長誤差，但皆在可接受之範圍，
而整體而言，材料峰值波長已達 100nm 以上之位移，並且在光激螢光頻譜的強度上，可判 斷出每組材料並無明顯之劣化情形，因此這組 SAG 條件能符合我們元件上的需求，此為第 二階段之主要工作。
(3) 選擇區域磊晶技術的正式片成長
當所有磊晶條件經由測試片確定後，就要進行正式片的成長，再同樣條件下，再度成長出 兩片二吋之正式晶片，並帶回台灣進行後續的製程。
藉由上述三個階段性的學習，在赴日兩個月實際實作中，讓敝人對選擇區域磊晶技術有更 進一步的了解，並有助於回國後進行下一階段與取樣光柵的整合性研發。
三 三 三
三、、、、 研習心得研習心得研習心得研習心得
綜觀國內各學術機關、研發單位或是公司廠房，就基本的晶圓磊晶技術而言，已漸趨 成熟，以國內晶圓製作出之光通訊主、被動元件成品，具一定之良率與輸出特性。而以選 擇區域磊晶技術而言，國內尚無足夠之製程經驗與設計理念，倘使選擇區域磊晶技術於國內 發展，無須另行購置其他磊晶設備，就原有之磊晶的設備在國內已經非常普及化，相信藉 由國際交流將選擇區域磊晶技術的引進，有利於促進國內在技術層面的提升，以跳脫代工性 質的產業型態，並帶動產業趨向於低成本高技術的層面，有效的降低目前低迷型態下光通 訊產業的製作成本。就另一層面而言，選擇區域磊晶技術的多元性，可同時提升光通訊主、
被動元件成品的技術，更進一步推動國內邁進光積體化元件的新契機。
此次能夠到東京大學中野研究室進行學術性的交流，實為一般人難有的機會，最難能可 貴的是能親自的去觀摩與學習選擇區域磊晶這前瞻性的技術，透過雙方的學術交流後，讓人深 覺學術無國界的道理，並且在這兩個月的技術交流中，感受到對方在選擇區域磊晶技術方面積 極教授的熱忱，這份熱忱讓雙方的學術交流更趨迅速。
就在這兩個月不長不短的異國生活中，除了學術上的交流外，能夠在異國跟隨不同工作團 隊一起生活，亦算是人文上的一種啟發，觀察別人的生活舉止的同時，自己的一舉一動也成了 一國人注目的焦點，但無論如何，只要是在研究得到共識的時候，語言文化溝通上不良的時候，”
笑”似乎成為共同的語言，就在分享這分異國熱情的同時，學術情感的交流，也在這瞬間架起 了友誼的橋樑。
