林清富臺灣大學：光電工程學研究所吳肇欣Wu, Chao-HsinChao-HsinWu2007-11-252018-07-052007-11-252018-07-052004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50703隨著光通訊領域的發展，以及因應網路的需求和資訊傳輸量的增加，在本論文中我們利用設計非對稱的量子井結構，來開發具有更寬發光頻寬特性，具有較低溫度相依性，以及擁有更高直接調變速度、更寬調變頻寬的半導體雷射與半導體光放大器。 我們設計並製作以InGaAsP/InP為材料的非對稱量子井結構，藉由控制量子井的種類、寬度、排列順序、分離侷限異質結構的長度，來決定電子或電洞何者為優勢載子，改善載子在量子井間的不均勻分佈，達到增加光放大器的發光頻寬的效果。更進一步，我們提出一種新的量測寬頻增益的方法，設計出新型的兩段式波導元件，我們可以在不需要外部雷射以及複雜的實驗架設之下，具有頻寬在超過290nm以上，增益超過30cm-1的增益頻譜可以求得。 傳統上，載子在量子井間的不均勻分佈被視為對雷射有不好的影響，但是經由特別設計的非對稱量子井結構，我們可以控制載子在量子井間的分佈，來達到改善傳統半導體雷射的一些限制。透過載子在量子井中隨溫度改變的費米-狄拉克分佈，載子可以在量子井間作轉移，當溫度升高的時候，載子有往能量高的量子井移動的現象，載子的移動造成元件在外界溫度的變化從33K到260K時，能隙改變超過50meV之下，對應發光能階的變化不超過5meV，並首度發現雷射擁有「負特徵溫度」的現象，在不需要額外的溫控之下，對將來降低系統的成本有很大的幫助。 除了改善溫度效應之外，我們發現藉由控制載子在非對稱量子井間的移動，可以達到更高的雷射直接調變速率，我們設計出一種新型的兩段式波導雷射，經由載子在不同量子井間互相轉移的過程，可以造成共振波長的快速切換，並由於載子在量子井間的移動轉換時間，遠小於載子經過分離侷限異質結構層的傳輸時間，使得新型結構雷射的直接調變速率可以突破傳統雷射的鬆弛頻率，達到更寬的調變頻寬，以因應將來光通訊市場的發展和普及的需要。With the increase of blooming information and data transmission of internet, the perspective of fiber-optic communication becomes more and more promising in the future. In this dissertation, we focus on the use and design of non-identical multiple quantum wells (MQW) to achieve broadband emission characteristics, less temperature dependence, and higher modulation bandwidth of semiconductor laser diodes and semiconductor optical amplifiers (SOA). Nonidentical MQW is designed and made by InGaAsP/InP suitable for optical communication wavelength. By proper adjusting the width and sequence of quantum wells and the width of separate-confinement-heterostructure (SCH) layer, we can improve the uniformity of 2D carrier distribution inside quantum wells and broaden the emission spectrum of SOA. Furthermore, 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 for a spectral range of 290nm with the gain of above 30 cm-1. Using nonidentical MQWs structure, temperature sensitivity of long-wavelength semiconductor lasers can be efficiently reduced. Carrier redistribute when temperature increases due to temperature-dependent Fermi-Dirac distribution. In nonidentical MQWs, carriers favor short wavelength QWs as ambient temperature increases. The temperature-induced carrier redistribution among nonidentical MQWs has been observed to contribute larger characteristic temperature and less temperature dependence compared to conventional InGaAsP/InP semiconductor lasers. For temperature varies from 33 K to 260 K, its corresponding energy changes less than 5 meV, while the bandgap energy changes more than 50 meV. And we first observed the “minus characteristics temperature” of semiconductor lasers due to carrier redistribution among nonidentical MQWs. In addition, we propose a new mechanism for direct modulation of laser diode by using carrier redistribution inside nonidentical MQWs. With proper design of nonidentical MQWs structure, a device with two-section waveguide Fabry-Perot laser diodes can be switched between two widely separated lasing wavelengths at high frequency. The switched intensity can have extinction ratio of 20dB within 5mA of current variation. Carriers redistribute inside nonidentical MQWs and contribute to different lasing wavelengths. Because the transport time between quantum wells is much smaller than the diffusion and drift time in SCH layer of carriers, the modulation bandwidth of two-section laser is expected to surpass the relaxation frequency of conventional laser diode. This new mechanism will greatly improve the transmitter speed and lower the cost in optical communication system.第一章 簡介 1 第二章 量子井半導體雷射與光放大器的特性量測與研究 7 2-1 簡介 7 2-1-1 背景簡介 7 2-1-2 元件結構與實驗架設量測 9 2-2 B1/B2/B3 不同個數的量子井雷射與光放大器特性量測 15 2-2-1 量子井設計與元件結構 16 2-2-2 半導體光放大器的特性量測與分析 21 2-2-3 半導體雷射的特性量測與分析 31 2-3 A7/A7b/A7c 不同非對稱量子井結構的比較 35 2-4 結論 49 第三章 寬頻半導體光放大器的增益頻譜量測 51 3-1 單一整合兩段式元件的設計和測量原理 52 3-1-1 背景簡介 52 3-1-2 使用兩段式元件量測增益之原理 54 3-2 寬頻半導體光放大器之量子井結構設計 57 3-3 兩段式元件結構與實驗架設之量測 61 3-3-1 元件結構製作與設計 61 3-3-2 實驗系統之架設與量測 64 3-3-3 頻譜量測結果 67 3-4 實驗結果與討論 69 3-4-1 耦合係數的估計與增益頻譜 69 3-4-2 不同光源端電流下的增益頻譜比較 73 3-4-3 不同長度半導體光放大器之比較 77 3-5 結論 82 第四章 應用非對稱多重量子井結構在半導體雷射 溫度效應上的改善 83 4-1 簡介 84 4-2 背景原理簡介 85 4-3 實驗數據與討論 89 4-3-1非對稱量子井的設計和雷射製作 89 4-3-2 雷射發光能隙與特徵溫度之量測 91 4-3-3 雷射發光頻譜和L-I曲線受溫度變化影響之量測 97 4-4 不同波長的臨界電流和特徵溫度之比較 102 4-5 結論 105 第五章 應用非對稱多重量子井結構在半導體雷射 的波長轉換與直接調變 107 5-1 簡介 108 5-2 背景原理簡介 114 5-2-1 兩段式元件的設計原理與寬頻增益 114 5-2-2 非對稱量子井間載子移動之理論模型 116 5-3 元件直流訊號的反應量測 122 5-3-1 兩段式直波導元件的設計與製作 122 5-3-2 實驗系統架設與波長轉換的量測 124 5-3-3 單一種量子井結構下的兩段式元件直流量測 134 5-4 兩段式元件小訊號的高頻直接調變量測 135 5-4-1 高頻量測系統架設 135 5-4-2 元件頻率響應的量測 137 5-4-3一般雷射直接調變之比較 144 5-4-4 消除Time Constant效應與頻率響應之比較 146 5-5 外部脈衝雷射對非對稱量子井雷射的影響 149 5-5-1 光纖雷射對單一雷射的影響 150 5-5-2光纖雷射對兩段式元件的影響 154 5-6 結論 159 第六章 總結與未來展望 160 6-1 論文回顧 160 6-2 未來展望 163 參考文獻 1662615888 bytesapplication/pdfen-US半導體光放大器半導體雷射量子井semiconductor laserquantum wellsemiconductor optical amplifierthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/50703/1/ntu-93-R91941007-1.pdf