林清富臺灣大學：光電工程學研究所曾煒傑Tzeng, Wei-ChiehWei-ChiehTzeng2007-11-252018-07-052007-11-252018-07-052006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50816隨著成長量子點技術的成熟，我們期待瞭解量子點的特性，以使光纖通訊得到充分利用。本論文中，我們利用所設計量子點結構，來開發溫度依賴性更低，臨界電流更小，調變頻寬更寬的半導體雷射與光放大器。 我們利用新型的兩段式波導元件，使用新的測量增益的方法，在不需要外部雷射及複雜的實驗架設之下，對各個電流密度與溫度快速且準確的測量其寬頻增益頻譜。增益頻譜曲線是由均勻性變寬與非均勻性變寬兩個成分所構成。均勻性變寬成分是由載子生命期所決定，而非均勻性變寬成分意指載子數目對其能量的分佈不均勻，主要原因是量子點數目對其尺寸分布不均勻，另外，第一、第二與第三量子化能態的兼併數的比例是二比四比六也決定非均勻性變寬成分在這三個能態的高度。增益頻譜曲線除了因電流密度增加與溫度增加而紅移，還會受到電子佔據機率的影響，其費米能階會因電流密度增加而上升，因溫度增加而下降。 量子點的臨界電流對溫度關係無法用單一特徵溫度描述，特徵溫度會隨溫度改變。我們也在長波長區段發現到特徵溫度的負溫度效應，這是增益曲線紅移所造成的。當溫度上升，帶隙能量會減少得到更長的放射波長。With the improvement of quantum dot growth technology, we investigate the characteristics of quantum dot lasers to fully utilize the available bandwidth of optical fiber communication systems. In this dissertation, we focus on the designed quantum dot structures to achieve less temperature dependence, lower threshold current density and higher tuning bandwidth of semiconductor laser diodes and semiconductor optical amplifiers. We propose a new simple method to measure the broadband gain spectrum with a two-section device. Without any other external tunable lasers and complicated setup, broadband gain spectrum is obtained immediately and precisely for each current density and temperature. Broadband gain spectrum comprises two compositions, one is homogeneous broadening arising from carrier lifetime, the other is inhomogeneous broadening which represents the size uniformity of quantum dots. Besides, the proportion of degeneracy in first, second and third quantized state is 2 to 4 to 6 which decide the amplitude of these states. Broadband gain spectrum red shifts when current density increase and temperature increase, and also influenced by electron occupation probability with its fermi-level increasing with increasing current density and decreasing with increasing temperature. The temperature dependence of threshold current is not described by a single exponential term with a characteristic temperature. Characteristic temperature of quantum dots varies with temperature. We also find negative temperature effect of characteristic temperature, which arises from red shift of gain curve. when temperature increases, the bandgap energy can be further decreased to achieve a longer emission wavelength.第一章　引言 1 1-1 研究動機 1 1-2 量子點雷射簡介 3 1-3 論文大綱 6 第二章　寬頻半導體光放大器的增益頻譜量測與定溫下增益頻譜對電流密度變化的特性研究 10 2-1 簡介 10 2-2 兩段式元件的設計和增益測量原理10 2-2-1 背景簡介 10 2-2-2 使用兩段式元件測量增益的原理 12 2-3 寬頻半導體光放大器的量子點結構設計 13 2-3-1 量子點結構設計 13 2-3-2 量子點雷射的寬頻特性 17 2-4 兩段式元件結構 17 2-5 實驗架設量測與實驗量測步驟 18 2-5-1 實驗系統的架設 18 2-5-2 用兩段式元件測量增益的實驗步驟與發光強度頻譜在定溫下隨電流密度改變的情形 20 2-6 頻譜量測結果 29 2-7 實驗結果與討論 33 2-7-1 增益積分式 33 2-7-2 第一至第三量子能態都得到填滿時的情形 36 2-7-3溫度20℃改變電流密度的各個增益頻譜 38 2-7-4 擬合結果的結論與檢討 45 第三章　增益頻譜在定電流下對溫度變化的特性研究 51 3-1 簡介 51 3-2 實驗架設量測 51 3-3 用兩段式元件測量增益的實驗步驟與光強度頻譜在定電流密度下隨溫度改變的情形 52 3-4 頻譜對溫度變化的測量結果 61 3-5 實驗結果與討論 65 3-5-1 增益積分式 65 3-5-2電流密度3.75kA/cm2改變溫度的各個增益頻譜擬合 66 3-5-3 擬合結果的結論與檢討 72 3-5-4 對偏移的完整說明 74 第四章　量子點的尺寸分布 83 4-1 簡介 83 4-2 非均勻變寬的物理原因 83 4-3 電子電洞能量與量子點尺寸的關係式 84 4-4 利用量子點尺寸呈高斯分布來擬合增益頻譜曲線 85 4-5 擬合結果 86 4-5-1 增益頻譜在溫度20℃下對各個電流密度下的變化 87 4-5-2 增益頻譜在電流密度3.75kA/cm2時對各個溫度的變化 98 4-5-3 溫度上升時紅移的現象 104 第五章　臨界電流對溫度的變化與負溫度效應 111 5-1 簡介 111 5-2 寬頻可調半導體雷射的原理 111 5-3 改變波長測量臨界電流的實驗架設 112 5-4 實驗結果 115 5-4-1 短波長臨界電流的實驗結果 116 5-4-2長波長臨界電流的實驗結果 120 5-5 實驗結果的討論 124 5-5-1 短波長臨界電流的實驗結果的討論 125 5-5-2 長波長臨界電流的實驗結果的討論 129 5-5-3 負溫度效應 133 第六章 結語 139 6-1 論文回顧 139 6-2 未來展望 1411570061 bytesapplication/pdfen-US量子點光纖通訊增益頻譜臨界電流特徵溫度quantum dotfiber communicationgain spectrumthreshold currentcharacteristic temperaturethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50816/1/ntu-95-R91941029-1.pdf