面射型雷射高頻特性之研究

Abstract

本論文旨在探討面射型雷射高頻特性的改進之道。從雷射發光層的材料、元件結構與元件等效的寄生電阻電容來改進面射型雷射的高頻操作特性，包跨小信號頻寬與眼圖。本論文第一部份為使用InGaAsP/InGaP為雷射增益層的面射型雷射。InGaAsP/InGaP材料的最佳化可藉由光激輝光光譜與理論模擬來達到，理論證明此種量子井具有較大的光增益與較低的透明電流。元件部分其臨界電流與微分效率分別為0.4 mA與0.6 W/A，相較於傳統的GaAs/AlGaAs量子井，InGaAsP/InGaP具有較高的熱穩定度，當基板溫度從室溫升高到85oC時，其臨界電流僅僅升高了0.2 mA。其小信號頻寬可達14.5 GHz 而電流調制效率為11.6 GHz/(mA)1/2，我們同時展示了12.5 Gb/s的眼圖，證明了InGaAsP/InGaP極適合作為高速面射型雷射的主動層。論文的第二部份則聚焦在如何降低在元件的等效電容。我們使用離子佈植(H+)方法成功阻斷了元件的特性電容使小信號頻寬由2.3 GHz增加到9 GHz，其10 Gb/s的眼圖也大幅改善，可通過802.3ae所規範的遮罩。為了精確得知元件在離子佈植前後的電容與阻抗，我們建立了面射型雷射的等效電路，使用Agilent ADS軟體從元件量測到的阻抗係數(S11)抽取元件的接面電容，結果證明離子佈植技術能有效降低雷射寄生電容。論文的最後部分，我們使用漸變氧化層來取代傳統單一組成氧化層，以做為面射型雷射的電流侷限與光學侷限。漸變氧化層可提供漸變的折射率分佈，理論上可以減少元件的高頻操作時的阻泥係數。我們發現使用漸變氧化層的面射型雷射具有相似的靜態特性(LIV)，但是其小信號頻寬則由10 GHz增加到13.2 GHz，阻泥係數也降低了一倍，顯示漸變氧化層的確可以改善雷射的高頻響應。