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半導體量子點兆赫波輻射源之研製
(2012)
林國瑞
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Lin Kuo-Jui (Gray)
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
半導體自組式量子點具有獨特的材料與物理特性，近年後受到廣泛研究而開發出多項優異元件及新穎應用，如量子點超高亮度二極體之寬頻光源、鎖模量子點雷射之短脈衝光源以及外腔式量子點雷射之可調光源等。而兆赫波段輻射源雖然有許多潛在應用，長久以來受到電學與光學限制而有兆赫波間隙，我們相信這是量子點增益介質可以大展身手的舞台。本計劃以NSC96 所提出的數位啁啾式堆疊量子點結構為基礎，延續 NSC98 執行波長可調外腔式量子點雷射以及NSC100 執行鎖模量子點雷射的經驗。在今年的計劃提案，第一階段要把鎖模量子點雷射的共振腔長度縮短至150 μm 以下，推升脈衝重複率進入兆赫波段；我們將探討單區段自鎖模與雙區段被動鎖模這兩種電極架構，磊晶部份以最佳化的多層堆疊量子點結構來增加光模增益，製程部分則結合乾式蝕刻與介電質蒸鍍之布拉格反射鏡來降低鏡面損耗。第二階段為達成兆赫波段輻射源的頻率可調，我們以微機電之數位微型反射鏡元件來實作雙雷射波長之外腔式量子點雷射，其雷射線寬及差頻範圍應可滿足設計需求，最後利用非線性光學的差頻產生機制來實現全兆赫波段的頻率皆可調之輻射源。
半導體量子點寬頻光源
(2008)
林國瑞
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Lin Kuo-Jui (Gray)
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
光學斷層掃瞄系統近年來在生醫領域蓬勃發展，由於系統需求之寬頻光源波段恰與光通訊波段ㄧ致，也因此帶動光電領域之通訊光源的研發，其中最受注目的首推低價砷化鎵基板上以砷化銦量子點為增益介質的長波長半導體光源。半導體量子點磊晶的自我成長機制雖使得量子點本身的形狀、大小及成份組成呈現寬廣的分布，然透過適當設計的多層堆疊結構可以克服飽和增益不足的問題，同時又可發揮非均勻光譜展寬的本質特性，因此是半導體寬頻光源的最佳選擇。 NSC96 的計劃中，我們以數位啁啾式堆疊量子點結構研製出具新奇發光特性的半導體雷射，下半年將繼續分析探討此特殊量子點堆疊結構以最佳化雷射元件的光電特性。在接下來的兩年計畫提案，NSC97 將以最佳化量子點堆疊結構來研製具有實質寬頻的半導體寬頻光源，特別著重於降低光源垂直發散角，以減少未來光纖耦合封裝所可能造成的嚴重損失，我們將研製兩項候選的元件，亦即量子點超高亮度二極體及量子點寬頻雷射，然後以NSC96 架設之可調光延遲干涉儀來量測光源的同調長度以決定光源的解析度。 NSC98 將在NSC96 與NSC97 的基礎下研製具有等效寬頻之掃頻式波長可調光源，我們將先進行首次量子點雷射與光子晶體的光電元件整合，探討光子晶體對於雷射波長的調控，然後以結合光子晶體之內腔式架構以及結合半導體光放大器與繞射光柵之外腔式架構來進行評估以實現快速而穩定的波長可調，我們最終希望將此元件交付生醫研發單位進行影像掃描的測試。
單石鎖模半導體量子點雷射
(2011)
林國瑞
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Lin Kuo-Jui (Gray)
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
半導體量子點雷射以自組式量子點為主動層，由於其獨特的增益與吸收特性，恰可同時扮演寬頻增益介質與快速飽和吸收器這兩種角色，因此非常適合應用於雷射鎖模而實現單石半導體量子點鎖模雷射。本年度計畫以 NSC96 提出之啁啾式堆疊量子點為主要結構，輔以主動區的厚度設計及調變摻雜來研究雷射的鎖模特性。首先將以前後串接增益區和吸收區之雙區段電極架構來實現被動鎖模，並研究兩區段之操作條件對鎖模範圍的影響，期能研製出脈衝重複頻率超過 50 GHz 且脈衝寬度小於5 ps 之超快雷射；其次將探討單區段電極架構之超長（> 1.5 cm）共振腔的自鎖模與主動鎖模，並以擬購置的自相關光干涉儀來量測分析雷射鎖模下之光脈衝特性，包含脈衝寬度、脈衝重複頻率與脈衝時序顫動等；最後將以乾式蝕刻DBR 反射鏡製作微共振腔（< 50 μm）之量子點雷射，評估量子點鎖模雷射實現兆赫波輻射的可行性，我們將先觀測單區段電極是否可以獲致兆赫波段的自鎖模，然後思考製程上如何研製雙區段電極之兆赫波段的被動鎖模。
波長可調及掃頻式半導體量子點光源
(2009)
林國瑞
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Lin Kuo-Jui (Gray)
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
光學斷層掃瞄系統近年來在生醫領域蓬勃發展，其系統所需之寬頻光源若以半導體光源取代，將可改善系統複雜度、有效縮減體積並大幅降低售價，且其發光波段恰與光通訊波段ㄧ致，也因此帶動光電領域之通訊光源研發；其中最受注目的首推砷化鎵基板上以砷化銦量子點為增益介質的半導體光源，此乃量子點本身的非均勻寬化效應為寬頻光源的最佳選擇。 NSC96 計劃中，我們以數位啁啾式堆疊量子點結構研製出增益頻寬超過 125nm 且具新奇發光特性之半導體量子點雷射。而NSC97 計畫中則以最佳化量子點堆疊結構來研製具有實質寬頻的半導體寬頻光源。本年度目標將研製可應用於光學斷層掃瞄系統之等效寬頻的掃頻式量子點光源。首先將以外腔式架構實現波長可調量子點雷射，並量測此特殊堆疊量子點結構的波長可調範圍；繼之，我們將繞射光柵架設在往復式快速掃瞄的裝置上，評估此外腔式量子點雷射在最佳電流操作點下的波長掃描範圍及頻譜特性；最後將嘗試研製量子點為主動區之多區段雷射共振腔結構，評估以光子晶體當作波長選擇反射鏡並直接調變電流來實現波長可調及掃頻式光源的可行性，我們最終希望將此元件交付生醫研發單位進行影像掃描的測試。
量子點雷射之雜訊特性與鎖模特性之研究(I)
(2010)
林國瑞
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Lin Kuo-Jui (Gray)
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
半導體量子點雷射以自組式量子點為增益介質，由於量子點獨特的物理特性（類原子能階、空間獨立性）與特殊的材料特性（非均勻展寬大、飽和增益低、增益回復快），許多新奇的元件特性與新穎的元件應用陸續被提出。在未來兩年的計畫中，我們將深入研究量子點雷射的雜訊特性與鎖模特性。 NSC99 計劃中將建立半導體雷射之相對雜訊強度的量測技術，完成雜訊位準的校正，依此萃取量子點雷射的共振頻率與阻尼係數等元件參數，以及微分增益與非線性增益係數等材料參數。我們將探討基態與激態下雷射發光的雜訊頻譜，使用可調光濾波器研究雷射縱模之分割雜訊，並配合雷射速率方程式模擬載子的動態特性。我們也將成長調變摻雜的多層量子點雷射，並與先前計畫中研製的量子點雷射一併以雜訊頻譜分析其最大頻寬，希望最佳化磊晶結構與成長條件。 NSC100 計畫中將研究量子點雷射的鎖模特性，我們已於NSC97 中首次發表砷化鎵基板之單段式電極的自鎖模量子點雷射，因此第二年計畫要探討單段式電極下自鎖模的優劣程度與操作範圍，並架設二倍頻之自相關干涉儀來量測脈衝寬度。接著我們將製作兩段式電極偏壓之被動鎖模量子點雷射，同樣也要決定脈衝光的操作範圍以及各項參數，最終目標希望獲致寬度小於 5 ps，重複頻率超過40 GHz 之高速短光脈衝。