行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
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(1/2)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2215-E-011-001-
執行期間： 94 年 02 月 01 日至 95 年 04 月 30 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： 潘彥廷、姚久琳、蘇俊豪、洪勇智
報告類型： 精簡報告
報告附件： 國際合作計畫研究心得報告 處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 5 月 23 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 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 － － － － －
執行期間： 年 月 日至 年 月 日
計畫主持人：李三良 共同主持人：
計畫參與人員：
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 九十五 年 五 月 十六 日
（一） 計畫中文摘要。（五百字以內）
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 100nm，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。
本計劃將結合東京大學與台灣科大兩實驗群各自擁有的獨特技術，製作下世代都會網路所 需的雷射陣列，若能成功，將為領先國際之成果，並有量產的潛力。
（二） 計畫英文摘要。（五百字以內）
Key words：Distrbuted Bragg Reflector lasers、Selective area growth
We will 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 Distrbuted Bragg Reflector (DBR) type lasers. Single-step holographic wxposure 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 will 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 will be carried out by Prof. Nakano’s group of University of Tokyo, and the SG technique will be performed in our laboratory.
This project will combine 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. We aim to obtain world-leading results. Moreover, the laser arrays can be mass-produced to lower the cost.
一、 前言
近幾年，網際網路的發展愈益迅速，在通訊的要求上也趨向於高速、高品質要求，由 於傳統電通訊網路在類比傳輸線中傳輸時具有諸多缺點，例如：損耗大、易受電磁波干擾、
有電阻存在等缺點，使得在頻寬上與速率上已不敷需求，因光纖網路具有高頻寬、高速率、
不易受電磁波干擾的優勢，約在十年前，光纖網路被採用為電信網路的骨幹架構。在通訊 技術層面上，傳統的分時多工(Time Division Multiplexing, TDM)技術雖可以在單一光纖傳輸 線上傳輸 2.5Gbps 以上的速率，但相較於資訊系統的蓬勃發展，其頻寬仍然不敷使用。為 提升單一光纖傳輸線上的頻寬，因而發展出分波多工(Wavelength Division Multiplexing, WDM)技術，在相同的光纖成本下增加光纖網路通道容量。
在這波資訊革命下，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 網路的雷射陣列為目標。就目前商用 DWDM 技術中通道間隔分為 50 GHz(0.4 nm)、100 GHz(0.8 nm)與 200 GHz(1.6 nm)三種，單個通道的基頻數位位元速率也從 2.5 Gbps 發展到 10 Gbps 甚至到 40 Gbps。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 100nm，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。
為降低傳輸雜訊與失真，通訊光源的品質是現階段研發的重點，由於通道數目眾多，製作 多波長雷射陣列可省去離散雷射後段封裝以及耦合技術上的困難，並且為達到每顆雷射單元波 長可調，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(Distrbuted Bragg Reflector type lasers)來組成雷射陣列。
本 實 驗 室 在 先 前 已 成 功 運 用 取 樣 型 光 柵 分 佈 布 拉 格 反 射 式 (Sampled Grating Distributed Bragg Reflectors, SGDBR)雷射製作出僅以單電極操作下，可輸出符合 DWDM 系 統下之16 個波長間距為 0.4 nm 或 0.8 nm 的多波長雷設陣列，因此本計劃擬以取樣光柵來 完成波長純化的目的。
在寬幅雷射材料增益的設計上，日本東京大學從事研發選擇性區域磊晶(Selective Area Growth, SAG)技術已多年，累積了相當的實作經驗，以此技術應用在製作多波長 DBR 雷射 陣列對元件上可減少雷射結構在材料與折射率設計上的困難度。本計畫藉由國際性的合作 案，以期達成SAG 技術製作多波長 DBR 雷射陣列之目標。
二、 研究目的
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(Distrbuted 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 100nm，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，此部分研究的目的，
在於克服100GHz 多波長雷射陣列光柵方面的課題。
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，此部分研究的目的，在於克服 100GHz 多波長雷射陣列材料方面的課題。
由於本計劃需結合國內與日本兩研究團隊的技術經驗，因此在雙方的技術層面交流 上，需有較直接之互動，故本計劃藉由派遣赴日進行技術交流的學生，在技術交流層面上，
能更有效的提升研發的進度。
三、 文獻探討
綜觀國內外相關文獻，實際上可運用在製作多波長 DBR 雷射陣列的技術相當多，就 單一晶片下製作不同布拉格光柵技術上就分為多重全相術曝光(Multiple Holographic Exposures)技術[1]與電子束直寫(Electron Beam Writing)技術[2]，然而欲降低在光柵上耗費 的成本，以單次全相術曝光技術在價位上最為低廉，但以單次全相術曝光技術製作多波長 雷射陣列必須在雷射結構上進行構思，而 SGDBR 雷射利用取樣光柵週期的理念，在單次 全相術曝光技術下即可在不同區塊製作出不同取樣週期的光柵，藉由兩不同取樣週期光柵 之反射率頻譜峰值位置堆疊，可使輸出波長大幅的變動放光位置，克服一般可調雷射在波 長峰值調動上的限制。一般而言，欲製作高頻寬之 SGDBR 雷射陣列在材料增易峰值方面 均無法涵蓋所需要的波長變動範圍，為克服材料增益的問題，通常有以下兩種技術能在單 一晶片變動材料增易的峰值：
(1) 量子井混合(Quantum Well Intermixing, QWI)技術[3][4][5][6][7][8][9]
亦稱為量子井內部擴散效應(Quantum Well Interdiffusion)，此效應以半導體擴散效應為 理論基礎。此技術著重於將已完成的半導體雷射晶片藉由高溫擴散作用，再度進行區域性 材料的變更，一般而言，主動層中量子井的能帶圖為矩形井狀，在經過內部擴散作用後，
量子井的能帶分佈呈較平滑的圓弧形狀，而能隙也變的較大，對元件而言，發光波長往短 波長變動，即一般所稱之藍位移(Blueshift)，如圖一所示。此區域即產生另一個新的材料，
因而有不同的材料增益，以克服材料先天上增益的限制。
本實驗室亦對此技術上進行研發，惟此技術雖可以達到非常大的增益峰值位移量，但 目前極需克服的是其材料增易峰值的強度也大幅度的下降，此結果亦造成在製作主動元件 上因材料增易峰值過小有無法放光的困擾，因此如何避免在量子井混合製程中形成難以移 除的晶格缺陷是目前此技術的關鍵。
(2) 選擇性區域磊晶技術[10][11][12]
選擇性區域磊晶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 100nm 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，如圖二所示。
圖一 量子井混和效應能帶分佈圖 圖二 量子井能帶示意圖
目前此技術在晶片基座上所設計的遮罩圖樣主要分為以下兩類：
(一)對稱式遮罩(Symmetric Mask)
圖三所示為八通道對稱式遮罩的圖樣，稱為對稱式主要是定義為 Wm1=Wm2，此技術通 常是將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，Wo 為脊狀波 導的寬度，Wa則為陣列雷射的間距，運用此技術可將陣列雷射製作在極微小的間距內，有
效的縮短雷射陣列元件的尺寸，此類遮罩製作出的雷射陣列元件的材料發光能隙均相同，
但藉由控制 Wm1(Wm1=Wm2)的寬度，可以改變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。
(二)非對稱式遮罩(Asymmetric Mask)
圖四所示為八通道非對稱式遮罩的圖樣，稱為非對稱式主要是定義為 Wm1<Wm2，此技 術通常同樣是將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，Wo
為脊狀波導的寬度，Wa則為陣列雷射的間距，運用此技術不但可將陣列雷射製作在極微小 的間距內，有效的縮短雷射陣列元件的尺寸，而且製作出的雷射陣列元件的材料發光能隙 均不同，一般而言，但藉由控制Wm1與Wm2寬度的值，可以改變每一個通道磊晶出來的材 料能隙，當Wm1與Wm2的寬度差距愈大，每一個通道磊晶出來的材料能隙差距愈大，目前 為止，此技術甚至能達到材料增益峰值達到90nm 左右的位移。
圖三 八通道對稱式遮罩 圖四 八通道非對稱式遮罩
就未來發展的前瞻性與多元性而言，選擇性區域磊晶技術具有相當大的優勢，尤其就 國內在此技術尚未成熟前，藉由本計劃與國外的技術交流，期望能提升本國在此技術層面 上的研發力。
SGDFB 雷 射 陣 列 另 一 項 關 鍵 技 術 即 在 於 取 樣 光 柵 週 期 的 設 計 與 製 作 [13][14][15][16][17][18][119][20][21][22][23][24][25][26]，本實驗室針對取樣週期光柵技術 已成功的應用在分佈布拉格反射式雷射已相當的成熟。圖五所示為取樣光柵分佈分佈布拉 格反射式雷射剖面圖。
一般而言，取樣週期的布拉格光柵輸出的反射率頻譜為梳狀尖峰，藉由不同取樣週期 的布拉格光柵(即變化圖五中所示之 Z1與Z0長度)，可控制輸出反射率頻譜的梳狀尖峰間距 與布拉格中心波長的位置，因此可設計兩組不同取樣週期的布拉格光柵作為雷射的兩端鏡 面，例如其中一組鏡面梳狀尖峰設計成 20nm 的等間距位置，另一組鏡面梳狀尖峰設計成 大於或小於 20nm 的等間距位置，搭配不同取樣週期的布拉格光柵，可使兩組梳狀尖峰對 準在中心波長λ0的位置或是兩旁λ0±20nm 的位置，如此即可使發光波長位置達成 20nm 的 大幅度變動，因此只要在同一個晶片上，經過一次的曝光顯影在不同區域中定義出不同取 樣週期的光柵，即可製作出單一輸出模態且波長間距為20nm 的雷射陣列。
為簡化取樣光柵分佈分佈布拉格反射式雷射電極的操作，本實驗室亦提出改良型的取 樣光柵分佈分佈布拉格反射式雷射電極結構，如圖六所示，在波導層上再成長一層薄的 1.3Q 材料，在此稱為位移層(Shift Layer)，利用選擇性溼蝕刻法，將其中一個鏡面薄的 1.3Q 材料去除，此時再利用全像術一次定義出兩鏡面區不同的取樣光柵，由於兩鏡面區材料不 同，因此蝕刻出的光柵區有不同的折射率差，此時不需額外的鏡面調動電流，只需藉由設 計不同取樣週期的取樣光柵相互匹配，便可使得雷射發光於其不同反射率尖峰的位置，製 作出預期規格之多波長雷射陣列。
圖五 SGDBR 雷射剖面圖 圖六 改良型 SGDBR 雷射剖面圖
另一項不同於一般傳統取樣光柵分佈分佈布拉格反射式雷射結構的是兩個反射鏡面的 位置，傳統取樣光柵分佈分佈布拉格反射式雷射其兩個光柵鏡面位於雷射的共振腔兩側，
而改良型的取樣光柵分佈分佈布拉格反射式雷射其兩個光柵鏡面則位於雷射共振腔的同一 側端面，光柵鏡面位置變更的目的在於縮短整個雷射元件的長度，並可再另一側鍍上高反 射(HR)塗層以增加輸出功率。
相位區存在的目的在於做為波長穩定控制，藉由額外加微小的調動電流至相位區去微 調模態的位置，使得模態對準兩鏡面的反射率頻譜乘積最大處，如此便有最佳的旁模抑制 比(Side Mode Suppression Ratio, SMSR)。區域間保留 50µm 的絕緣區，以斷絕注入電流的 橫向擴散，提高電流的注入效率。由於大幅縮短兩鏡面區的長度，鏡面區反射率大幅下降，
在鏡面區的另一端需做高反射鍍膜處理，以提升雷射的輸出功率。
以上即為目前本計畫所應用之相關技術的文獻探討，相信結合本實驗室取樣光柵與東 京大學之選擇性區域磊晶技術技術，能成功的運用在製作 SGDBR 的雷射陣列上，以達成 下世代都會網路高頻寬之需求。
四、 研究方法
本計畫涉及國內外兩地之研究規劃，研究方法分為以下兩年四個階段:
(一) 第一階段 (第一年在國內研究方面)
1. 研究方法與進行步驟：利用本實驗室購買之 PICS3D 專業雷射模擬軟體並搭配自行 撰寫之雷射結構設計程式，針對本計畫所需之雷射結構進行最佳化模擬。 2. 遭遇困難與解決途徑：部分材料與結構設計上，在取樣光柵與選擇性區域磊晶
技術方面必有相違之理論設計，必須根據計劃所需尋求最佳化的取捨。 (二) 第二階段 (第一年赴日本研究方面)
1. 研究方法與進行步驟：利用赴日研究期間，瞭解選擇性區域磊晶技術之各項技術 細節最新之發展資訊，進而規劃本實驗室對選擇性區域磊晶技術之研發方向，同 時並進行初步選擇性區域磊晶技術上條件的測試。
2. 遭遇困難與解決途徑：部分選擇性區域磊晶技術實驗性階段由於涉及嚐試數據條 件描述未臻完善或研讀資訊誤解，以致測試失敗，此部分須在彙整技術資料的同時 與日本合作的研發團隊進行密切的諮詢。
(三) 第三階段 (第二年在國內研究方面)
1. 研究方法與進行步驟：將赴日交流後習得之選擇性區域磊晶技術與本實驗室暨有之 SGDBR 雷射陣列設計理念結合，進行結構與光罩的最終設計，並搭配實驗室所撰 寫之設計程式，確定取樣光柵的製作條件。
2. 遭遇困難與解決途徑：取樣光柵在設計與製作上須對材料有一定之相關資訊才得以 進行設計製作，而在選擇性區域磊晶技術上局部區域材料的變化難以詳細預測，必 須根據日本的研發團隊實驗經驗值進行修正，以克服實作上的誤差值。
(四) 第四階段 (第二年赴日本研究方面)
1. 研究方法與進行步驟：利用第二次赴日研究期間，利用東京大學的磊晶設備與無塵 室設備，進行選擇性區域磊晶技術結合SGDBR 雷射陣列實作。
2. 遭遇困難與解決途徑：實際結合選擇性區域磊晶技術與取樣光柵技術在材料增益方 面必有大幅的改善，但仍會有製作上條件的差異造成元件品質的優劣問題，此方面 須與日方研究團隊進行多次的測試調校製作條件，已完成最佳化的元件。
五、 結果與討論
第一年共兩階段的研究結果與討論如下:
(一) 第一階段結果與討論 (第一年在國內研究方面)
本計畫所設計的材料在經過選擇性區域磊晶技術過後，部分區域的材料波長必會偏 移，其材料增益亦會有所改變，因此在原始的材料設計上更需嚴苛規劃，以避免磊晶製程 上的誤差而明顯的犧牲材料特性，換句話說，即是所設計的材料必須有較佳之製程誤差容 忍度，此部分的設計包含雷射紙結構的主動層材料的選擇、量子井厚度和層數的評估以及 載子侷限層的設計，所以本實驗室根據 PICS3D 專業雷射模擬軟體並搭配自行撰寫之設計 程式，進一步的探討材料設計上優化的趨勢。
1. 主動層材料的設計方面:以現行最具功效之多重量子井雷射為設計基礎，由於在
1.55µm 的光通訊波段，以磷砷化鎵銦/磷化銦(InGaAsP/InP)材料技術最為成熟，因 此我們以此系列材料進行設計，並根據對量子井所施加之應力進行設計，由於舒張 應力的程度在1.55µm 波段只能提供至 0.3~0.4%之應立設計值，並且在量子井堆疊 的層數上亦受限制，因此決定使用具壓縮應力的量子井作為雷射主動層材料，相較 於舒張應力部分，壓縮應力在1.6%時仍然可以將增益峰值對準在 1.55µm 波段，此 外，壓縮應力量子井具多層數的堆疊優勢下，舒張應力的量子井所能提供的總增益 遠小於壓縮應力的量子井。圖七所示為單層量子井具不同形式和程度的應力對其能 提供材料增益的影響。根據模擬結果，具壓縮應力的量子井能利用較少載子密度提 供其最大的材料增益，此特性將有助於降低雷射的臨界電流。
2. 主動層厚度與層數的設計方面:根據圖八的模擬結果，愈薄的量子井所提供的材料 增益愈高，有助於提升整體的材料增益，因此在量子井厚度方面選用 6.2nm 的薄 量子井。在量子井層數的規劃上，層數過多會造成電流注入的不均勻，層數過少則 會降低材料增益值，因此在量子井層數方面選用 6 層，以期在均勻的載子注入下，
能維持一定的材料增益值。
0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400
0 5 10 15 20 25
0.1% Tensile 0.2% Tensile 0.3% Tensile 0.4% Compressive 0.6% Compressive 0.8% Compressive 1.0% Compressive 1.2% Compressive 1.4% Compressive Material Gain (cm-1)
Carrier Density (1018 cm-3)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 5 10 15 20 25
6.0nm 6.2nm 6.5nm 6.7nm 7.0nm 7.2nm 7.5nm Material Gain (cm-1 )
Carrier Density (1018 cm-3)
圖七 壓縮和舒張應力對材料增益的影響 圖八量子井厚度對材料增益的影響 3. 載子侷限層的設計方面:為了使雷射主動層有效地提供增益，必須使大部分的載子
都能侷限在主動層。在此使用兩階式的載子侷限層，並將每層的材料組成和厚度 做最佳化。
(二) 第二階段結果與討論 (第一年赴日本研究方面)
赴日研究期間，以熟習當地之選擇性區域磊晶技術為首要，為在單一晶片上完成寬幅 度的材料增益變動，並維持一定的材料增益品質，在初期的規劃上，必須嘗試不同磊晶間 隙與遮罩寬度的比例測試，圖九為選擇性區域磊晶條件測試光罩簡單示意圖，藉由此方式 的設計，可觀察在不同的測試條件下，所磊晶的材料波長與品質的變化情形。
圖九 選擇性區域磊晶條件測試光罩簡單示意圖
圖十所示則為光激螢光(Photoluminescence, PL)頻譜的強度量測歸納結果，在磊晶間隙 20µm、40µm 與 60µm 不同條件的測試結果下，在遮罩區的寬度比例漸增的情況下，所量 測出PL 的強度也逐漸遞減，因此在遮罩的寬度設計比例上，存在一最佳值，當達到一定程 度的增益峰值強度時，隨著遮罩區的寬度比例漸增，材料的增益品質及產生大幅的驟減情 形。圖十一所示為在遮罩區的寬度比例漸增的情況下，PL 的波長位移情形，根據量測結果 得知，當遮罩區的寬度比例漸增，所磊晶出來的波長紅移(Red Shift)量也越大，此圖關係到 本計畫所需要的紅移量必須對應圖十進行最佳化的衡量。
圖十 光激螢光頻譜的強度量測結果 圖十一 光激螢光頻譜的波長量測結果 由於選擇性區域磊晶的測試實驗上，以20µm 的磊晶間隙之材料均勻度為最佳，因此 在選擇性區域磊晶的條件選擇上，必須採用磊晶間隙為20µm 或是小於 20µm 的磊晶條件，
以維持材料的品質，圖十二為磊晶間隙為20µm 的光激螢光頻譜之各區域詳細的量測結果，
約在遮罩寬度為磊晶間隙 2 倍寬(w4)的區域時，有較佳之 PL 的強度，此區域之波長位移量 亦大於100nm，此結果為初期選擇性區域磊晶測試下，可利用於實作元件的最佳條件。
圖十二 磊晶間隙為20µm 的光激螢光頻譜波長量測結果 六、 參考文獻
[1] M. G. Young, U. K.OREN, B. I. Miller, M. A. Newkirk, M. Chien, M. Zirngibl, C.
Drsgone, B. Tell, H. M. Presby, and G. Raybon, “A 16x1 Wavelength Division Multiplexer with Integrated Distributed Bragg Reflector Lasers and Electroabsorption Modulators,”
IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 5, no. 8, pp. 908-910, 1993.
[2] T. P. Lee, C. E. Zah, R. Bhat, W. C. Young, B. Pathak, F. Favire, P. S. D. Lin, N. C.
Andreadakis, C. C. Caneau, A. W. Rahjel, M. Koza, J. K. GAmelin, L. Curtis, D. D. Mahoney, and A. Lepore, “Multiwavelength DFB Laser Array Transmitters for ONTC Reconfigurable Optical Network Testbed,” J. Lightwave Technol., vol. 14, no. 6, pp. 967-974, 1996.
[3] S. -F. Yu and E. H. Li, “Semiconductor lasers using diffused quantum-well structures,”
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 4, issue. 4, pp. 723 -735, July-Aug 1998.
[4] E. H. Li, “Advances in intermixed quantum well devices,” Electron Devices Meeting, 1998 Proceedings, 1998 IEEE Hong Kong, pp. 60 -65, 29 Aug. 1998.
[5] D. Hofstetter, B. Maisenholder, and H. P. Zappe, “Quantum-well intermixing for fabrication of lasers and photonic integrated circuits,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 4, issue. 4, pp. 794 -802, July-Aug 1998.
[6] D. Leong, H. S. Djie, and P. Dowd, “A new quantum well intermixing technique using inductively-coupled Argon plasma on InGaAs/InGaAsP laser structures,” Indium Phosphide and Related Materials Conference, 2002 IPRM 14th, pp. 310-322, 12-16 May 2002.
[7] I. Gontijo, T. Krauss, J. H. Marsh, and R. M. De La Rue, “Postgrowth control of GaAs/AlGaAs quantum well shapes by impurity-free vacancy diffusion,” IEEE Journal of
Quantum Electronic, vol. 30, issue. 5, pp. 1189-1195, May 1994.
[8] E. H. Li, Quantum well intermixing, Gordon and Breach Science Publishers, 2000.
[9] H. S. Djie, S. L. Ng, O. Gunawan, P. Dowd, V. Aimez, J. Beauvais, and J. Beerens,
“Analysis of strain-induced polarisation-insensitive integrated waveguides fabricated using ion-implantation-induced intermixing,” Optoelectronics, IEE Proceedings-, vol. 149, issue. 4, pp. 138 -144, Aug 2002.
[10] K. Kudo, Y. Furushima, T. Nakazaki, M. Yamaguchi, “Densely arrayed eight-wavelength semiconductor lasers fabricated by microarray selective epitaxy,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 5, issue. 3, pp. 428 -434, May-June 1999.
[11] K. Kudo, T. Nakazaki, M. Yamaguchi, “Microarray selective epitaxy (MASE) for integrated photonic devices,” Conference on Indium Phosphide and Related Materials, 1999 Eleventh International, pp. 543 -546, May 1999.
[12] M. Takahashi, M. Suzuki, M. Aoki, K. Uomi, T. Kawano, “In-plane quantum energy control of InGaAs/InGaAsP MQW structure by MOCVD selective area growth,” Fourth International Conference on Indium Phosphide and Related Materials , pp. 206 -209, April 1992.
[13] F. Delorme, S. Grosmaire, G. Alibert, S. Slempkes, and A. Ougazzaden, “Simple Multiwavelength Device Fabrication Technique Using a Single-Grating Holographic Exposure,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, no. 7, pp. 867-869, 1996.
[14] S. L. Lee, I. F. Jang, C. T. Pien, C. Y. Wang, T. T. Shih, “Multiwavelength Laser Arrays with 0.4/0.8-nm Wavelength Spacing,” IEEE Annual Lasers and Electro Optics Society Meeting, paper ThG2, November, San Francisco, USA, 1999.
[15] S. L. Lee, I. F. Jang, C. T. Pien, C. Y. Wang, T. T. Shih, “Monolithically Integrated Multiwavelength Sampled Grating DBR Lasers for Dense WDM Applications,” IEEE J.
Select. Topics in Quantum Electronics, vol. 5, no. 5, pp. 1227-1235, 1999.
[16] I. F. Jang, S. L. Lee, C. Y. Wang, and Y. H. Jan, “Realization and Performance of As-Fabricated SGDBR Multiwavelength Sources,” IEEE Photonics Technol. Lett, ” vol.13, no.9 , pp.933-935, 2001.
[17] Y. J. Lin and S. L. Lee, “Silicon-on-insulator based four-channel CWDM demultiplexers on TMI waveguide,” J. of Optical Commun., vol.23, pp. 796-798, 2002.
[18] I. F. Jang, C. L. Yao, S. Li. Lee, W. J. Ho, and C. C. Lin, “Monolithically Integrated
SGDBR CWDM Sources of 20-nm Channel Spacing,” Optics and Photonics Taiwan, 2002.
[19] S. L. Lee and I. F. Jang, Adjustable Monolithic Multi-Wavelength Laser Arrays, U.S.
patent 6,432,736. Aug., 2002.
[20] V. Jayaraman, M. E. Heimbuch, L. A. Coldren, S. P. DenBaars, “Continuous-wave operation of sampled grating tunable lasers with 10 mwatt output power, >60 nm tuning, and monotonic tuning characteristics,” Conf. Proc. 6th International Conference on InP and Related Materials, pp. 33 -36, March 1994.
[21] S. L. Lee, I. F. Jang, C. T. Pien, C. Y. Wang and T. T. Shih, “Sampled Grating DBR Laser Arrays with Adjustable 0.8/1.6-nm Wavelength Spacing,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol.
11, no. 8, pp. 955-975, 1999.
[22] I. F. Jang, S. L. Lee, C. Y. Wang, L. W. Lai, W. J. Ho, and Y. H. Jan, “Realization and Performance of As-Fabrication SGDBR Multiwavelength Laser Arrays,” IEEE Photon.
Technol. Lett., vol. 13, no. 9, pp. 933-935, 2001.
[23] I. F. Jang, S. L. Lee, C. Y. Wang and T. T. Shih, “Multiwavelength Sampled Grating DBR Laser Arrays,” International Photonics Conference, Taipei, Taiwan, paper F-T1-B4, 1998.
[24] S. L. Lee, I. F. Jang, C. Y. Wang and T. T. Shih, “Adjustable Multiwavelength Laser Arrays with Sampled Grating DBR Mirrors,” 16th International Semiconductor Laser Conference, Nara, Japan, paper TuE31, 1998.
[25] I. F. Jang, S. L. Lee, C. Y. Wang, T. T. Shih and Y. H. Jan, “Novel Techniques for Realizing SGDBR DWDM Sources without Coarse Monterey” 17th International Semiconductor Laser Conference, Monterey, CA, paper P8, 2000.
[26] 張英發, “設計與製作以取樣光柵為基礎之分波多工雷射光源” 博士論文, 台灣科技大 學, 民國 91 年.
