本論文的研究目的為研製環流鏡來當做反射鏡面之應用，以及搭配製程簡易且容易積體化的環型共振腔而設計Fabry-Perot雷射。材料方面，我們使用1.55μm對稱型結構之砷化鋁鎵銦(InGaAlAs)多重量子井結構之磊晶片。元件設計方面，利用環流鏡取代劈裂鏡面形成反射，搭配不同分光比(50%:50%；15%:85%)的1x2、2x2多模干涉器(Multi-Mode Interference)當作耦合器使用，再結合環型共振腔，由於在共振頻率的時候，會使得訊號由環型共振腔的特定端輸出，因此我們可以得到具有波長選擇的半導體雷射。
在這次的光罩設計上，我們新增一道MMI深蝕刻光罩，故可以減少MMI內部高次模態的損失。在元件製程方面，我們利用多步驟濕式蝕刻技術來達到所需的蝕刻深度，在MMI的部份亦是利用多步驟濕式蝕刻技術進行深蝕刻。最後利用HBr:HCl:H2O2:H2O=5:4:1:70的配方，來修飾波導的側壁(sidewall)，使其表面更光滑以降低元件的scattering loss。
在平坦化方面，我們能將延伸的平台黏附住，至於平台間的縫隙填補仍有待解決，若能平整的填補住平台間的縫隙，即能解決旋塗所造成邊緣過高的問題。

The purpose of this research is to present design and fabrication of resonant loop-mirror Fabry-Perot lasers. Single filter has simple fabrication processes and good potential for intergration. A 1.55-μm symmetric quantum well InGaAlAs epi-layer wafer is used to fabricate the laser. In device design, we apply loop mirror to obtain reflection instead of cleaved facet and take 1x2, 2x2 Multi-Mode Interference (MMI) with different splitting ratio (50%:50%；15%:85%) as a coupler. Then we combine MMI couplers with ring cavities to reflect specific wavelength at particular position. Therefore we can obtain semiconductor laser with property of wavelength-selection filter.
In this design of the mask, we add a mask of deep-etch around MMI in order to decrease the loss of higher mode inside MMI. In the part of devices design, we apply multi-step technology for wet etch to obtain necessary depth. Finally, we use the etch solution (HBr：HCl：H2O2：H2O＝5：4：1：70) to smooth the sidewall of the waveguide, and to reduce scattering loss of the device.
In the part of planarization, we can adhere dummy wafers to surround the main sample and extend the total area. If we can fill the gap flat, the problem of high edge by spinning will be solved. However, we were not able to fill the gap.

目錄

第一章 簡介……………………………………………………..…...1
1-1 前言………………………………………………………….....1
1-2 應用環型共振腔於環流鏡製作半導體雷射…………….........3
1-3 應用特殊2X2 MMI於環型共振腔…………………………...3
1-4 論文架構……………………………………………………….4
第二章 環流鏡與環型共振腔之設計與原理……….…….…5
2-1 環流鏡模擬與原理………………………………………….…5
2-2 環型共振腔原理…………………………………………….…8
2-3 環型共振腔傳輸型式……………………...…………….…...11
第三章 多模干涉器之設計與原理………………….…...…13
3-1 MMI之原理…………………………………………….…..13
3-2 MMI之設計與模擬結果..…………………….…………....18
第四章 光罩與元件設計…………………………….…...…21
4-1 光罩內容…………………………………………………….21
4-2 元件設計…………………………………………………….21
4-2-1 應用環流鏡之半導體雷射…………………….21
4-2-2 應用環型共振腔之半導體雷射……………….23
第五章 元件製程…………………………………….…...…28
5-1 磊晶片資料………………………………………………….28
5-2 製程流程圖………………………………………………….31
5-3 製程示意圖………………………………………………….32
5-4 製程步驟…………………………………………………….39
第六章 結論…………………………………….…...………58
參考文獻………………………………………………………59
附錄 全面平坦化製程……………………………………....60












圖目錄

第一章 簡介
圖1-1 應用MMI作為環型共振腔之輸入/出耦合器…..........…..4
第二章 多模干涉器與環流鏡之設計與原理
圖2-1 環流鏡之示意圖(1X2 MMI)………………....……...........5
圖2-2 環流鏡之示意圖(2X2 MMI)……….…..….………...........6
圖2-3 不同X值的Pra及Pta功率的分量曲線……....…….........7
圖2-4 頻道擷取濾波器示意圖….…………………..……...........9
圖2-5 FSR示意圖………………………..…………..……...........9
圖2-6 單環環型共振腔計算示意圖.…...……………...….........11
第三章 環型共振腔
圖3-1 模擬10µm MMI之模態…………………………………14
圖3-2 MMI所形成多個模態數...………………………………14
圖3-3 一般的多模態干涉激發型式……………………………16
圖3-4 10µm寬波導的前兩個模態…………………………..…18
圖3-5 K=0.5之MMI耦合器及功率傳輸圖……………..….…19
圖3-6 K=0.25之MMI耦合器及功率傳輸圖……...…………..20
圖3-7 K=0.15之MMI耦合器及功率傳輸圖……...…………..20
第四章 光罩與元件設計
圖4-1 應用半徑160µm和260µm的環流鏡之半導體雷射...22
圖4-2 環流鏡反射功率圖………………………………………22
圖4-3 應用兩個半徑260μm的環流鏡之半導體雷射..…..……23
圖4-4 1X4 (25%)MMI結合環流鏡之半導體雷射………….…23
圖4-5 環型共振腔搭配劈裂面的半導體雷射…………...…….24
圖4-6 反射功率與波長的關係圖(1X2 MMI).....…...………….24
圖4-7 兩個環型共振腔搭配劈裂面的半導體雷射…...……….25
圖4-8(a) 反射功率與波長關係圖(2X2 MMI)………....……….26
圖4-8(b) 透射功率與波長關係圖(2X2 MMI)…….……...…….26
圖4-9 兩個特殊設計的漸變寬度螺旋波導……………...…….27
第五章 元件製程
圖5-1 MD3QWD量子井位能與波函數圖…………………….28
圖5-2 MD3QWD之光激螢光(PL)光譜圖………..……...…….29
圖5-3 蝕刻完的SEM圖……...………….………..…………….42
圖5-4(a) MMI深蝕刻後的OM圖……….………..……………43
圖5-4(b) MMI深蝕刻完的SEM圖….…………..……..………43
圖5-5 修平後的SEM圖…………………………..…….………44
圖5-6 將Mask移除的SEM圖…………………....…….………45
圖5-7 固化PI2562的升溫曲線……...…....….…………………46
圖5-8 定義完第3到光罩的OM圖…………….…………….…47
圖5-9 P型金屬掀離後個個元件的OM圖………………….…48
圖5-10(a) I-V curve(MOCVD_0410011)…...…...……….……..50
圖5-10(b) I-V curve(MBE_C133)…………..…...……….……..51
圖5-10(c) I-V curve(MBE_C131)...………...…….....……….…51
圖5-11 量測系統架構………………………….…………….…52
圖5-12(a) L-I curve(MBE_C133)…...…………...……….……..53
圖5-12(b) L-I curve(MBE_C131)…...…………...……….……..53
圖5-13 環流鏡(R=160 μm)之 L-I curve …...……….…………54
圖5-14 結合兩個不同長度環流鏡的直線波導…….………….55
圖5-15 直線波導之L-I curve…………………………………...55
圖5-16 直線波導(1070μm)的頻譜圖…….…………………….56
圖5-17 自發放射頻譜圖(90mA)…….……………………..….57
附錄
圖一 PI2562平坦度量測………………….…………………….61
圖二 In微影蝕刻後的結果…………….……………………….63
圖三 完成黏貼Si晶片…………….…………………………….64

表目錄

第三章 多模干涉器之設計與原理
表3-1 2×2 MMI之輸出功率……………………………………17
第五章 元件製程
表5-1 MD3QWD(C131&C133)磊晶組成的明細表…………...30

[1] John Mauro , ”Nonlinear Optical Switching with Sagnac Interferometers”.
[2] 黃子建，”應用環流鏡與環型共振腔於半導體雷射之設計與研製”，國立中山大學光電工程研究所，2004年6月。
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[4] Lucas B. Soldano, Erik C. M. Penning, ”Optical Multi-mode Interference Devices Based on self-Imaging Principle and Applications” Journal of Lightwave Technology, Vol. 13, No. 4, pp. 615-627, 1995.
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[8] D. G. Rabus, ”Realization of optical filter using ring resonators with integrated semiconductor optical amplifier in GaInAsP/InP” Ph.D. der Technischen Universität Berlin pp. 25-30, July, 2002.