自动脉冲式780-nm砷化铝镓雷射特性之模拟与分析

1、自動脈衝式自動脈衝式780-nm砷化鋁鎵雷射特性之模擬與分析砷化鋁鎵雷射特性之模擬與分析吳志力、陳俊榮、郭艷光、劉柏挺*國立彰化師範大學物理系所暨光電科技研究所彰化市50058進德路1號Phone：04-7232105 Ext. 3341, Fax：04-7211153, E-mail：.tw*修平技術學院機械工程學系台中縣41283大里市工業路11號Phone：04-24961193, Fax：04-24961110, E-mail：.tw(NSC-93-2112-M-018-008)摘要：本文主要探討自動脈衝式780-nm砷

2、化鋁鎵雷射的特性，以及溫度與操作電流對其脈衝頻率的影響。結果發現：由於活性層中增益區對雷射光的貢獻，以及損失區對光子的吸收作用，因而使得雷射光的輸出功率產生self-pulsation的現象。此外，脈衝頻率會隨著溫度的上升而下降；同時，操作電流約在23 mA之前，脈衝頻率會隨著操作電流的上升而上升，當操作電流超過23 mA時，則觀察不到self-pulsation的現象。關鍵字：自動脈衝式雷射、砷化鋁鎵、數值模擬1. 前言前言自動脈衝式雷射(self-pulsation lasers，簡稱SP lasers)，不像傳統的半導體雷射，它具有脈衝式的輸出功率(pulsed output power

3、)，而這種self-pulsation的現象對於日常生活中的一些應用，佔有重要的地位，例如：SP lasers可以降低回授雜音(feedback noise)，進而提升音響的品質。再者，SP lasers能改善光學資料儲存系統(optical data storage system)，甚至對於光學通訊系統(optical communication system)品質的提升也有極大的助益13。在早期，SP lasers往往因為其不穩定性而被忽視甚至排斥，而且大多只能在次級雷射(degraded laser)中觀察到這種現象，因此當時並沒有引起太高的研究興趣。後來這些問題藉由元件結構的改進而獲得

4、解決，通常可以利用雷射共振方向具有unpumped region的結構，或者利用narrow-stripe結構，以形成可飽和吸收區，進而發展出功能性較佳的SP lasers，然而unpumped region結構容易產生磁滯效應(hysteresis phenomena)，使得雷射輸出功率難以控制，因此，narrow-stripe結構成為SP lasers中重要且實用的元件結構2,3。隨著長晶與摻雜技術的進步，以及有關知識的日趨成熟，SP lasers從早期的雙異質(double-heterostructure，簡稱DH)結構，發展到後來的多量子井結構(multi-quantum well，簡

5、稱MQW)，甚至在活性區(active region)附近加一層可飽和吸收層(saturable absorber layer，簡稱SA layer)4,5。隨著這些元件結構的改變，SP lasers的輸出功率、穩定性、相對強度雜訊(relative intensity noise，簡稱RIN)，乃至於其它相關性能都能越來越好。SP lasers的材料，從早期的砷化物、磷化物，乃至於氮化物，均有相關研究報告提出35，這也使得SP lasers的發光波長範圍更為寬廣。此外，更有學者於氧化侷限的面射型半導體雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，簡稱VC

6、SEL)中發現self-pulsation的現象6，也因此讓SP lasers在科技應用上更具發展潛力。本文主要利用PICS3D模擬軟體，探討narrow-stripe結構的780-nm AlGaAs雷射，並分析其self-pulsation的現象，而元件結構的設計主要依據參考文獻3中的實驗結構。模擬結果發現：由於活性層中增益區(gain region)對雷射光的貢獻，以及損失區(loss region)對光子的吸收作用，因而使雷射光的輸出功率產生self-pulsation的現象。此外，脈衝頻率(pulsation frequency)會隨著溫度的上升而下降；同時，操作電流約在23.0 mA

7、之前，脈衝頻率會隨著操作電流的上升而上升，當操作電流超過23.0 mA時，則觀察不到self-pulsation的現象。2. 雷射結構及其特性分析雷射結構及其特性分析本文所模擬SP laser的元件材料結構依序如下：首先模擬n-GaAs緩衝層(buffer layer)，其厚度為0.5 m，摻雜濃度為2.01024 m3 ；接著為n-Al0.5Ga0.5As薄膜(cladding layer)，其厚度為2 m，摻雜濃度為1.01024 m3；其上的活性層為未摻雜的Al0.14Ga0.86As，厚度為80 nm；接著往上一層為p-Al0.5Ga0.5As的電流散佈層(current spread

8、ing layer)，其厚度為0.2 m，摻雜濃度為7.01023 m3；電流散佈層之上則分為兩個區域，分別為兩邊的n-Al0.6Ga0.4As電流阻礙層(current blocking layer)，其厚度為1 m，摻雜濃度為1.01024 m3，以及中間區域的p-Al0.5Ga0.5As，其摻雜濃度為7.01023 m3；再者為p-Al0.5Ga0.5As薄膜(cladding layer)，其厚度為1 m，摻雜濃度為1.01024 m3；最後是p-GaAs的覆蓋層(capping layer)，其厚度為0.5 m，摻雜濃度為2.01024 m3。此外，元件的共振腔長度為250 m，前後

9、鏡面反射率同為0.32，元件的整體結構如圖一所示。圖二為操作電流固定在15.0 mA時，(a)為活性層之增益區與損失區分佈的情形，(b)為活性層中局部增益對元件位置的關係圖，以及(c)為活性層中光波強度的分佈情形。由圖二(a)可知，在距離對稱軸約2.4 m處，即圖二中的虛線，由於電流阻礙層將電流侷限於活性層中央，使得電流通過的部分成為增益區，其餘未受電流注入的部份為損失區。由圖二(b)可知，在增益區內，其局部增益為正，對於雷射光的產生才有貢獻；然而，在損失區內，其局部增益為負，具有吸收光子的效果。而在圖二(c)中，光波強度主要分佈在增益區，但值得注意的是，在損失區內也有光波強度的分佈，使得損失

10、區內的電子能吸收光子而躍遷至較高的能階，直到損失區飽和之後，對光子不再具有吸收的功能，此時，此區形同一透明區域，使得光可以直接穿透過，然而，由於其極短的載子生命期(carrier lifetime)，電子將迅速掉回原來較低的能階，而再次具有吸收光子的效果，使得損失區具有可飽和吸收的作用，進而成為SP lasers必備的可飽和吸收區。也由於增益區對雷射光的貢獻，以及損失區對光子的吸收作用，因而產生self-pulsation的現象。其次，在雷射特性方面，模擬結果顯示，室溫時的臨界電流約為11.0 mA，亦即當操作電流超過11.0 mA時，雷射輸出功率方可呈現出self-pulsation的現象。

11、而當操作電流固定在15.0 mA時，其時間對雷射輸出功率的關係如圖三所示，由圖三可得知：雷射脈衝頻率大約為0.42 GHz，脈衝寬度(pulse width)大約為1.3 ns，而且self-pulsation的現象在整個脈衝期間(pulsation duration)是穩定且持續的。SP lasers之脈衝頻率約正比於(I/Ith1)1/22,7，其中I為操作電流，Ith為臨界電流。因此，當操作電流固定時，若溫度上升，臨界電流亦隨之上升，而脈衝頻率將會下降。圖四溫度對臨界電流與脈衝頻率的關係圖。圖中發現：當溫度由290 K上升到310 K時，則臨界電流也從9.9 mA上升到11.9 mA，同

12、時當操作電流固定在15.0 mA時，脈衝頻率將從0.44 GHz下降到0.38 GHz。明顯地，當操作電流固定時，若溫度上升，則脈衝頻率將隨之下降。圖五為操作電流對脈衝頻率的關係圖，圖中發現：室溫時，當操作電流由15.0 mA上升到22.5 mA時，則脈衝頻率也從0.42 GHz上升到0.55 GHz，然而當操作電流增加到約23.0 mA時，雷射將開始變回一般的relaxation oscillation，而不再具有self-pulsation的效果，我們可以從圖六觀察到此現象，圖六為操作電流固定在35.0 mA時，時間對雷射輸出功率的關係圖。而其原因可能是，當操作電流太大時，分佈在活性層之損

13、失區內的光波強度會大幅增加，促使損失區急速飽和，而喪失可飽和吸收的功能，使得雷射輸出功率無法產生self-pulsation的現象。3. 結論結論就SP lasers而言，其具有脈衝式的輸出功率，而且脈衝頻率與操作電流、溫度、以及其他的變數，都有著相當密切的關係，而本文主要探討SP lasers的形成原因及其相關特性。研究結果顯示：約距離對稱軸2.4 m處，元件材料的活性層被分成增益區及損失區。在增益區內，其局部增益為正，對於雷射光的產生才有貢獻；然而，在損失區內，其局部增益為負，具有吸收光子的效果。也由於此二效應，才能夠產生self-pulsation的現象。其次，脈衝頻率會隨著溫度的上升而

14、下降，同時，當操作電流約在23 mA之前，脈衝頻率將隨操作電流的上升而上升，當操作電流超過23 mA時，則觀察不到self-pulsation的現象。參考文獻參考文獻1 G. H. M. van Tartwijk and M. S. Miguel, “Optical feedback on self-pulsating semiconductor lasers,” IEEE J. Quantum Electron. 32, pp. 11911202 (1996).2 M. Yamada, “A theoretical analysis of self-sustained pulsation p

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16、 Quantum Electron. 1, pp. 473479 (1995).4 I. Kidoguchi, H. Adachi, T. Fukuhisa, M. Mannoh, and A. Takamori, “Stable operation of self-sustained pulsation in 650-nm-band AlGaInP visible lasers with highly doped saturable absorbing layer,” Appl. Phys. Lett. 68, pp. 35433545 (1996).5 V. Z. Tronciu, M.

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18、uctor lasers,” Appl. Phys. Lett. 77, pp. 35143516 (2000).7 G. P. Agrawal and N. K. Dutta, Semiconductor lasers, 2nd ed., Van Nostrand Reinhold, New York, pp. 189190 (1993). 圖一、自動脈衝式砷化鋁鎵半導體雷結構。-500-400-300-200-1000100200300012345Current Blocking LayerGain RegionLoss RegionVertical position (m)Local gain in active layer (cm-1)0.00.81.00246810Distance from the center ( m)Wave intensity in active layer(a)(b)(c)圖二、操作電流固定在15.0 mA時，(a)為活性層之增益區與損失區分佈的情形，(b)為活性層中局部增益與元件位置的關係圖，以及(c)為活性層中光波強度的分佈情形。0481216Total cur