【毕业学位论文】（Word原稿）光纤通讯用1300 nm砷化铝镓铟量子井雷射之结构设计与特性分析-光电科技

国立彰化师范大学光电科技研究所 硕士论文 指导教授：郭艳光教授 光纤通讯用 1300 化铝镓铟量子井雷射之结构 设计与特性分析 300研究生：谢尚卫撰 中华民国九十四年国立彰化师范大学光电科技研究所 硕士论文 研究生：谢尚卫 光纤通讯用 1300 化铝镓铟量子井雷射之结构 设计与特性分析 300论文业经审查及口试合格特此证明 论文考试委员会主席 _ 委员： _ _ 指导教授：郭艳光博士 _ 所 长：吴仲卿主任 _ 中华民国九十四年六月 志 谢 在此首先要感谢郭艳光老师在我就读硕士班期间所给予的指导 与协助。从大三寒假进入蓝光雷射实验室以来，郭艳光老师除了教导我们半导体方面的专业知识外，也传授我们许多面对生活的方法及哲理，让我们在面对生活或研究的挫败时，能够提起精神，积极地往前迈进。除此之外，我也要感谢实验室的学长姊们，特别是诒安和志康学长，把我从一个懵懂的大三生带入半导体和雷射的研究领域中。 当然，不可或缺的还要感谢同期毕业的 育骅、汉义、秀芬和嫚琳等实验室的学长和工作伙伴，让这研究的路走来更加地充实而多彩多姿。特别是育骅学长和秀芬，一路陪伴我进入固态雷射、 及半导体雷射的领域中，在我遇到困 难的时候能够一起学习和突破。 我也要感谢俊荣、永政、铭伟和少甫等学弟妹的帮忙，特别是感谢铭伟学弟花了相当多的时间协助我完成光电年会以及物理年会等文章的内容，让这些资讯能够更完整地与其他研究先进们分享。也要感谢少甫学妹常常为这个实验室带来欢笑的气氛，让我们这些学长姊在研究的路上多了许多生活的乐趣。 在此，也要特别感谢刘柏挺老师在我们研究的过程中，不断地为我们打气以及鼓励，让我们始终保持着高昂的研究斗志。同时也要感谢陈美玲老师在每一次的 陪伴着我们并提供宝贵的意见和方法。 最后我也要感 谢我最亲的家人：爸、妈、尚育和尚洁对我的支持和鼓励，虽然从南下彰化念大学以来彼此相聚的时间变短了，但我还是很感激你们对我的关心以及照顾，尤其是妈妈，还常常为了我和尚洁特别南下来为我们打气。真的很感谢所有在我这求学过程中给予我帮助以及陪伴过我的人，谢谢你们。 I 目 录 目录 . I 中文摘要 . 英文摘要 . 图表索引 . 第一章 长波长光纤通讯雷射光源之材料特性及发展简介 . 1 波长光纤通讯之应用 . 2 波长光纤通讯光源之设计 2 4 . 5 料系统之特性介绍 . 7 . 7 .参考文献 . 22 第二章 长波长光纤通讯 m 雷射光源之活性层材料设计与分 26 值模拟软体简介 . 27 设计分析与比较 . 28 设计分析与比较 . 35 设计分析与比较 . 40 大材料系统的比较分析及结论 . 45 参考文献 . 48 第三章 m . 53 子溢流对 射系统的影响与介绍 . 53 射特性之探讨 . . 59 射系统模拟结构之介绍 . 59 拟结果与分析 . 62 力 补偿式 射系统的影响与介绍 .射特性之探讨 . 射系统模拟结构之介绍 . 模拟结果与分析 . 参考文献 . 第四章 结论 . 附录一 已发表之相关论文 . 文摘要 在光纤通信的系统中， m 的雷射光源是不可或缺的关键性元件，因为在石英光纤的光传递中，他们分别提供了最低的光色散以及最小的能量损失。然而，传统的 及 主要材料，虽然其元件的光电特性良好，但由于抗温性较 差，所以往往需要 TE 降低其操作温度，因而增加成本的支出。因此，近年来以 及 料为主的雷射二极体在不需要主动式散热板的情况下，就可以得到优异的光电特性，故有逐渐取代 趋势。本文即以 材料为主轴，并辅以介绍 及 材料特性，来做一系列的结构设计探讨与雷射特性分析。 在第一章中我首先对长波长光纤通讯的三大材料系统 ： 及 相关的材料 特性以及参数简介，并介绍这三大材料系统目前的发展现况。 在第二章中我搜集了相关的文献资料，对发光在 1.3 m 的这三大材料系统做一系列的材料增益以及自发辐射率的分析比较，并统整不同的活性层结构设计对其发光特性所造成的影响。 在第三章中，我利用 加拿大 司所发展的 值模拟软体来探讨电子阻碍层对 射系统性能的影响。此外，在V 料系统方面，我亦探讨补偿式应力的 其元件特性所造成的影响。 最后在第四章中，我则综合前面三章的分析结果做个简单的 综整与回顾，并提出较佳的 雷射结构设计，以提供给学界先进以及长晶制程者作为参考。 m in in nP a in of it t of in of a nP at In to m of nP nP nP at In I a at In , I of to m II of In , of m by of of on of is in In , of a m nP an a On of on is in in , on I a of m It is my in be to 表索引 圖 在石英光纤中， 关系图。 . 3 圖 在石英光纤中，材料色散系数对波长的关系图。 . 4 圖 料系统活性层能带示意图 。 . 5 圖 意图 。 . 6 圖 . 8 圖 10 圖 早期 料系统 组成成分的关系图。 .圖 早期 子井雷射之活性层结构设计。 .13 圖 早期 -I .14 圖 .圖 .圖 -I .圖 不同时期 .圖 极高功率 圖 脉冲式 射系统的 能图。 圖 长波长光纤通讯三大材料系统 圖 半导体侧射型雷射的结构示意图 。 . 27 性层材料系统 的自发辐射率比较图 。 . 32 圖 性层材料系统 的增益比较图 。 . 33 圖 n1 尖峰增益比较图。 34 圖 性层材料系统 的自发辐射率比较图 。 . 39 圖 性层材料系 统 的增益比较图。 . 39 圖 性层材料系统 的自发辐射率比较图 。 . 43 圖 性层材料系统 的增益比较图 。 43 圖 材料 (1) (4)之 温度之间的比较关系图 。 . . 4 4 圖 三大活性层材料系统 圖 . 54 圖 .圖 . . 57 圖 .圖 . 59 圖 m 子井雷射之结构设计图。 . 60 圖 m 子井雷射之 (a)模拟与 (b)实验性能X 图。 . . 6 2 圖 在不同操作温度下，所模拟 子井雷射之 内部光学 损失系数值。 . 63 圖 (a) m (b) m 子井雷射之 内部光学 损失系数值与温度的关系 。 . 64 圖 在原始雷射结构下，所模拟之溢电流百分比与 操作温度以及量子井个数之间的关系图。 .圖 在原始雷射结构 五个量子井的情况下 ， 总输入电流 与溢电流值的关系图。 . . 66 圖 在原始雷射结构下加入 子阻碍层的导电带能带示意图 。 . . 67 圖 变化不同宽度的 结构设计下，其雷射性能的比较分析图 。 . 67 圖 变化 子阻碍层 不同的 杂浓度时， 其雷射性能的比较分析图 。 . . 68 圖 变化 x 子阻碍层 不同的 铝含量时， 其雷射性能的比较分析图 。 . 69 圖 涵盖最佳化 5 5子阻碍层的能带示意图 。 . 70 不同的操作温度下，有无 子阻碍层的雷射性能比较图 。 . 71 圖 在变化不同的活性层成分时 ()，其临界电流密度与温度的关系图 。 73 圖 在变化不同的活性层成分时 ()，其斜率效能与温度的关系图 。 .圖 在加上 电子阻碍层的情况下，以 原始活性层结构设计以及材料(4)为 .圖 在 变 化 共 振 腔 长 度 以 及 量 子 井 个 数 的 情 况 下 ，以 材料 (4)为 临界电流密度分析图。 .圖 在 变 化 共 振 腔 长 度 以 及 量 子 井 个 数 的 情 况 下 ，以 材料 (4)为 斜率效能分析图。 .圖 T a n s u 等人所设计应用在 I n G a A s N 雷射系统的 带示意图 。 .圖 在变化共振腔长的情况下，涵盖与未加上应力补偿式 78 圖 在固定共振腔长的情况下，涵盖与未加上应力补偿式 79 圖 人所设计的 射系统之能示意图 。 80 圖 1 . 3 - m I n G a A s N - G a A s 量子井雷射之结构设计。 . 8 1 圖 m 子井雷射之 (a)模拟与 (b)实验性能图。 . . . 8 2 圖 在原始的雷射结构下加入 应力补偿式 的能带示意图 。 83 圖 利用 应力补偿式与原始活性层结构设计所得到的 雷射 性能比较图。 84 圖 利用 应力补偿式与原始雷射结构所得到的 受激放射率与 85 圖 利用应力补偿式雷射结构所模拟出来的变温 能图。 86 圖 利用应力补偿式雷射结构所得到的临界电流密度与斜率效能数值。 87 表 x 应力对含量的关系式 。 . 13 表 不 同时期 料系统的活性层结构设计 (19892004)。 . 17 表 不同时期 . 17 表 长波长光纤通讯三大材料系统活性层结构设计 。 . 20 表 . 29 五种典型的 料系统的活性层结构设计 。 . 31 表 五种典型的 性层应力结构设计对照表 。 . 32 表 . 36 表 x s1 y N y 能带间隙式中的各项物理参数值 。 . . . 3 7 表 五种典型的 . 37 表 五种典型的 . 表 x 关的二元半导体化合物物理参数值 。 . 41 表 五种典型的 x 料系统的活性层结构设计 。 . 42 表 五种典型的 x 性层应 力结构设计对照表 。 . 表 三大活性层材料系统的最佳化结构设计 。 45 表 长波长光纤通讯雷射光源使用材料的比较 。 .表 . 55 表 所模拟 射系统之 详细结构对照表。 .61 表 原始与最佳化活性层结构设计之对照表 。 . 72 1 第一章 长波长光纤通讯雷射光源之材料特性及发展简介 在长波长光纤通信的系统中， m 的雷射光源一直扮演着不可或缺的关键性元件，因为在石英光 纤 (光传递中，他们分别提供了最低的光色散 (及最小的能量损失 (在传统的 及 主要材料，虽然其元件的光电特性良好，但由于导电带 (电子局限较差，雷射效能容易受到温度的影响，所以往往需要 降低其操作温度，因而增加成本的支出。因此，寻求新的材料系统以达到在不需要主动式散热板的情况下，就可以得到优异的光电特性成为此方面 学者们研究的焦点之一。近年来相关的研究群体提出几种不同的材料系统来试着取代传统的 射结构，其中包含同是 料系统 以及另外两种 料系统。 在本章的内容中，我将以 料系统为主轴，并针对相关的 及 材料系统介绍其特性与发展现况。更进一步地我将根据所 搜集到的文献来对这三大材料系统做简单的比较与分 析。 2 波长光纤通讯之应用 由于计算机之普及以及网路通讯之发达，人们对于光纤资料传递的需求亦日趋提升。在长波长的光纤通讯系统中，由于 及 m 的半导体雷射光源分别拥有较低的 光色散以及 损失等优势，因此在中长程光纤通讯上一直扮演着相当重要的角色。然而对于发光在这两个波段的半导体雷射光源而言，材料的选择一直是被研究探讨的课题。从早期传统的 料系统发展至今日高特性温度 ( 及 射结构，我们可以明显地观察出长波长光纤通讯雷射光源的快速发展与备受重视。 波长光纤通讯光源之设计 为了让光在传递的过程中损失达到最低，波长的选择就显得相当地重要。 下图 在石英光纤中，损失对波长的关系图 1。从图中我们可以观察到石英光纤中的光损失主要是由红外线吸收 (及 两个机制所造成的。很明显的从图中我们可以发现到当传输的光波长为 及 有一个极低 的损失窗，特别是在传输波长为 m 时，其损失将低至每公里 0.2 此，在长波长光纤通讯传输波长的选择上，及 m 这两个波段附近的雷射光源设计便显得格外地重要及值得探讨。 3 图 石英光纤中， 关系图。 除了探讨光在传递中的损失外，保持讯号波形的完整性也是另一个必须考量的重要因素。图 在石英光纤中，材料色散系数对波长的关系图 2。从图中我们可以知道在石英光纤中，不同波长的光在其中传递会有不同的色散程度，若色散程度过大 的话，会容易造成传输讯号的波形变形，因而限制了传输的距离。图 示当传输波长在1.3 m 附近时，其材料色散系数值为零。因此，虽然从前面光损失的分析中我们可以知道，传输波长为 1.3 m 的损失值比 由于其色散程度最低，讯号的波形在经过长距离的传递后最容易保持其完整性，因此仍然被普遍用来当作中长程光纤通讯的传4 输波长。 图 石英光纤中，材料色散系数对波长的关系图。 统 料系统之特性介绍 传统应用于长波长光纤通讯雷射光源的材料为 料系统，其基板为 底下图 摘录自 人发表论文中的性层 (带示意图 3，其中 成分则为 图中我们可以观察到此 料系统的导电带井深 ( 100 价电带的井深 (为 150 故其 导电带与价电带的井深比 ( 100： 150，即 中 (和被定义为 由于 料系统拥有较小的 5 g) 4， 因此无法有效地将导电带的电子局限于活性层量子井中而容易造成溢流 (现象，故其雷射在高温操作时，其效能会大为衰减，亦即对热的敏感度 (当地显著。 有鉴于前述 射系统的热效应严重，故往往在其高温操作时，会利用 热电冷却装置 (提升其雷射性能，因而增加成本的支出。因此寻找新的设计方式与材料系统使雷射性能能在缺乏热电冷却装置的高温操作环境下，依旧保持低的热感度， 亦即 高的斜率效能 (低的临界电流 (成为近年来被研究探讨的课题之。 图 料系统活性层能带示意图。 载子局限之 料系统之介绍 从上一节的介绍中，我们可以知道传统 料系统由于其低，所以容易造成电子溢流的现 象，因此其雷射性能6 会严重受到温度的影响。然而，从 人所发表的文章内容中，我们可以知道具有应力的 料系统 (有较传统 料系统较高的 值为 g) 5。 底下图 m 中 成分为具有 压缩应力 ( 料结构，而其 及共振腔长 (宽度则分别为 3 与 300 m 5。 图 射系统之 能示意图 。 在此，为了要与前述 传统 雷射效能做比较，将在下面的叙述中引进特性温度来分析探讨。底下式 (1)为一般用来研究雷射系统临界电流对操作温度 (关系式 ： 7 )/ex p ()( 00 ， (1) 其中 而 值大小为用来判别临界电流与操作温度的相关程度。从上式中我们可以观察到当特性温度 临界电流愈不容易受到操作温度的影响，因此其雷射效能较容易保持稳定。一般来说，传统 射系统的特性温度都大约落在 50 至 60 K 附近 6，然而从 人所发表的文章叙述中 5，我们可以知道图 呈现的 射系统的特性温度值为 81 92 K，较 传统 此其雷射性能对操作温度也较为稳定。 料系统之特性介绍 料系统 除了利用前述 外两种具有高 及高特性温度的材料系统在近几年中也广为受到瞩目。 在这一节中，我将先介绍具有极高 g)的 料系统 7。底下图 依据 人的文章内容所描绘的 料系统活性层能带示意图 7，其中 成分则为 8 图 料系统活性层能带示意图。 从上图中我们可以很明显地看出 料系统拥有相当大的大小大略是传统 料系统 100 四倍，因此其导电 带活性层的量子井能够有效地将电子局限于井内而不容易产生溢流的现象。故相对于传统 料系统而言， 料系统较能够在高温下进行稳定的雷射操作，且其特性温度 雷射操作下可达到 70 110 K 8，而在脉冲式雷射 (操作下更可高达 200 K 以上 8。 料系统除了有上述所介绍的优点外，还具有可利用 做为基板 (优势。由于传统的 及 在下一节做详细的介绍 )等长波长雷射结构都必须利用 做为基板，因此利用 为基板的 料系统可降低成本的支出。 9 除此之外，利用 基板的 料系统也同时拥有可直接利用 制作 射系统 的优势 9。 虽然 料系统拥有以上众多的优势，然而由于其氮(子的大小比其他三者小 得许多， 因此 掺入 N 于长晶的过程中容易造成晶体的缺陷， 因此如何在制程中 得到较完美的晶体仍是一门值得探讨的课题。 料系统 在本节中，将要介绍另一个同样具有高 料系统与其相关的特性。 首先我将针对 材料系统的 详细的介绍。从 的介绍中我们可以知道所谓的 是指量子井中导电带井深对价电带井深的比，即 而对于传统的 料系统而言，其比为 此容易造成溢电流的现象。然而从众多文献的收集中 10，我们可以 明确地知道对于 此在高温操作时，料系统在导电带有较高的井深可以局限更多的载子，所以电子溢流的情况较传统 料系统缓和减少了许多，故其发光效率也较 料系统提升了不少。 底下图 摘录自 人文章中所呈现的 10 子井能带结构示意图 11。从图中我们可以看出此 料系统的 00 传统 料系统100 三倍高。此外，我们也可以 计算出此 料系统的 0.3 其值为 与一般文献上所认知的 其值为 当地吻合。最后从图中我们也可以算出电子在导电带 n 1 的能阶跃迁至价电带重电洞 n 1 的发光波长，其值为 1240/等于 1330 ( 图 子井能带结构示意图 。 接下来所要探讨的是 此首先要引进 弯曲参数 (定义与物理意义。 一个多元化合物半导体的能带间隙 下式 (2)所示 ： 11 1 = (1 x)+) x(1 x)b ， (2) 其中二次项的系数 b 值便是一般学术界所称谓的弯曲参数，其单位为在早期 1988 年有关 料系统 弯曲参数 b 值 的研究可由人文章内容所做的实验分析一探究竟 12，如底下图 示 ： 图 期 料系统 组成成分的关系图 。 从图中我们可以观察到此 元的材料系统，其 用两个三元的 料结构 (加来表示，即 Eg(z) = z + (1 z) 从上图中我们观察不到 其二次项的系数，故 此四元料系统的 与组成成分是呈线性的函数关12 系，因此其弯曲参数 b 值为零。 然而我们从 2004 年 人的文献中可以观察到现今料系统的弯曲参数 b 值已经有了新的认知 13，如下式 (3)所示，其二次项的系数分别是 有两个 x = (1 x y)x 1)+y 1) (3) 在接下来的内容中将要针对 及应力 (成分之间的关系做更进一步的分析与探讨。 底下表 x 应力对 量以及 量的关系式 14： 表 x 应力对含量的关系式。 x y = g = % x y = g = x y = g = % x y = g = x y = g = % x y = g = x y = g = % 表中我们可以很明确地知道不同的 量会造成 x 。当 量 (1 x y)13 占 ， 料系统晶格常数是与基板 配而不含应力的。反之，当 量大于以及小于 ，则会由于晶格常数与基板不匹配而分别产生压缩 (伸张 (力。此外，在不同的 量时， x 料系统的 会随着不同的数学函式而与 量成线性变化。 介绍完 料系统相关的物理特性后，接下来将要针对此材料系统的发展历史及现况做进一步的介绍。 从 人所发表的文章中，我们 可以一窥早期在 1989 m 子井雷射的发展概况 15。 人所设计的雷射结构其活性层为五个 子井