本論文的研究目的為研製製程簡易且容易積體化的環型共振腔半導體雷射、單環環型濾波器，以及搭配環流鏡當做反射鏡面的應用。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1x2、2x2不同分光比(50%:50%；15%:85%)的多模干涉器(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或濾波功能的半導體雷射。
在2x2多模干涉器中，我們設計兩種模型以實現低反射率。一個是漸變窄的螺旋波導，另一個是漸變寬，找其布魯斯特角位置的螺旋波導。在環流鏡方面，我們設計了260、160μm的曲率半徑，考量光在波導中的彎曲損耗(bending loss)和吸收損耗(material loss) ，找出最合適的曲率半徑。在單環環型濾波器的設計中，設計共振腔長度分別為1479μm和1385μm的兩種不同曲率的被動元件，其共振頻率間距(FSR)分別為63.4GHz和67.75GHz。
在元件製程方面，由於四元材料(InGaAlAs)的乾蝕刻條件不穩定，因此我們利用多步驟濕式蝕刻技術來完成。在彎曲波導的部份也是利用多步驟濕式蝕刻技術進行兩次的深蝕刻，蝕刻至磷化銦基板造成波導及外圍部份折射率的差異變大，以減少彎曲損耗。最後，再利用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。

We present design and fabrication of ring cavity semiconductor lasers and single ring filter with simple fabrication processes. A 1.55-μm symmetric quantum well InGaAlAs epi-layer wafer is used to fabricate the lasers. In device design, we apply loop mirror to obtain reflection instead of cleaved facet and take 1x2, and 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 control the output of specific wavelength. Therefore we can obtain filter and lasers with the property of wavelength selection.
We also design two kinds of special waveguides to achieve low reflectivity. One is a tapered spiral waveguide tail. The other waveguide is expanded in a curve and then cut off at the Brewster’s angle. In loop mirror, two curvature radius(260,160μm) were introduced to study bending loss and material loss. In single ring filter, we design two kinds of resonator lengths(1479,1385μm) and the corresponding Free Spectrum Range (FSR) are 63.4, 67.75GHz, respectively.
In fabrication, owing to the unstable dry etch condition for InGaAlAs, we adopted multi-step etch technology. In the part of curved waveguide, we also use this method to make deep-etching to increase the difference of refractive index between waveguide and the outside part. 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.

目錄

第一章 簡介……………………………………………………..…...1
1-1 前言………………………………………………………….....1
1-2 應用特殊分光比例且對稱式之2X2 MMI於環型共振腔.......2
1-3 應用環型共振腔及環流鏡製作半導體雷射之應用……….....3
1-4 論文架構……………………………………………………….3
第二章 多模干涉器與環流鏡之設計與原理……….……….4
2-1 MMI之原理…………………………………………………….4
2-1-1 MMI之設計與模擬結果………………...………...9
2-2 環流鏡………………………………………………………...13
第三章 環型共振腔………………………………….…...…15
3-1 原理…………………………………………………………...15
3-2 環型共振腔傳輸型式………………………………………...18
3-3 單環環型共振腔之理論計算結果…………………………...20
第四章 光罩與元件設計…………………………….…...…22
4-1 光罩內容…………………………………………………….22
4-2 元件設計…………………………………………………….23
4-2-1 應用環流鏡之半導體雷射…………………….24
4-2-2 應用環型共振腔之半導體雷射……………….25
4-2-3 單環環型濾波器……………………………….26
第五章 元件製程…………………………………….…...…29
5-1 磊晶片資料………………………………………………….29
5-2 製程流程圖………………………………………………….32
5-3 製程示意圖………………………………………………….33
5-4 製程步驟…………………………………………………….39
第六章 結論…………………………………….…...………54
參考文獻………………………………………………………55
附錄……………………………………………………………57











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…..........…..2
第二章 多模干涉器與環流鏡之設計與原理
圖2-1 模擬10μm MMI之模態……………………..……...........5
圖2-2 MMI所形成之多個模態數……….………….……...........5
圖2-3 2×2 MMI耦合器示意圖……....…………….…..…...........7
圖2-4 一般的多模態干涉激發型式….……………..……...........7
圖2-5 10μm寬波導的前兩個模態……..…………..……...........9
圖2-6 MMI之模擬方法…....…………...……………...….........10
圖2-7 K=0.5之MMI耦合器及功率傳輸圖……...…………….11
圖2-8 K=0.25之MMI耦合器及功率傳輸圖……...…………..11
圖2-9 K=0.15之MMI耦合器及功率傳輸圖……...…………..12
圖2-10 環流鏡之示意圖……...……………..………………….13
圖2-11 不同K值的Pra及Pta功率的分量曲線………………14
第三章 環型共振腔
圖3-1 頻道擷取濾波器示意圖…………………………………16
圖3-2 FSR示意圖………………………………………………16
圖3-3 單環環型共振腔計算示意圖……………………………18
圖3-4 單環環型濾波器示意圖…………………………………20
圖3-5 共振腔長度1479μm且K0=K1=0.15傳輸特性圖……21
圖3-6 共振腔長度1385μm且K0=K1=0.15傳輸特性圖……21
第四章 光罩與元件設計
圖4-1(a) 圓柱座標下的彎曲波導幾何形狀……………………23
圖4-1(b) 等效為直角座標系統之折射率分布…………………23
圖4-2 折射率的變化與模態場型分佈…………………………23
圖4-3(a) 應用半徑160和260μm的環流鏡之半導體雷射.…24
圖4-3(b) 應用兩個半徑260μm的環流鏡之半導體雷射.…….25
圖4-3(c) 1X4 (25%)MMI結合環流鏡之半導體雷射………….25
圖4-4(a) 環型共振腔搭配劈裂面的半導體雷射……...……….26
圖4-4(b) 應用兩個環型共振腔的半導體雷射...……………….26
圖4-5(a) type-A單環環型濾波器………………………...…….27
圖4-5(b) type-B單環環型濾波器………………………...…….27
圖4-6 兩個特殊設計的漸變寬度螺旋波導……………...…….28
第五章 元件製程
圖5-1 MD3QWD量子井位能與波函數圖…………………….29
圖5-2 MD3QWD之光激螢光(PL)光譜圖………..…………….30
圖5-3 double layer的剖面圖…………….………..…………….41
圖5-4 蝕刻後補光阻的SEM圖………….………..……………43
圖5-5 蝕刻二次後，未去除光阻的SEM圖….………..………44
圖5-6 蝕刻三次後，未去除光阻的SEM圖……..…….………45
圖5-7 蝕刻三次後，去除光阻後的SEM圖……....…….………45
圖5-8(a) 修飾後，直線波導的SEM圖…....….…………………46
圖5-8(b) 修飾後，漸變寬度螺旋波導的SEM圖…………….…46
圖5-8(c) 修飾後，MMI部分的SEM圖……………...……….…47
圖5-9(a) 二次深蝕刻後的SEM正視圖……………...……….…48
圖5-9(b) 二次深蝕刻後的SEM側視圖……………...……….…48
圖5-10 Polyimide的固化升溫線…………….....…...……….…49
圖5-11 PI2562的厚度及平坦度曲線…………..…...……….…50
圖5-12 開完窗口且露出Ti的OM圖…………...…...……….…51
圖5-13 鍍完p-type金屬後的元件OM圖……...…...……….…52
圖5-14 元件的I-V量測圖……………………...…...……….…53





表目錄

第二章 多模干涉器與環流鏡之設計與原理
表2-1 2×2 MMI之輸出功率……………………………………..8
第五章 元件製程
表5-1 MD3QWD磊晶組成的明細表…………………………..31

[1] T. F. Karauss, and P. J. R. Laybourn ”Impact of
Output Coupler Configuration on Characteristics of
Semiconductor Ring Lasers”, Journal of Lightwave
Technology, Vol. 13, Issue 7, pp. 1500-1507, 1995.
[2] R. van Roijen, E. C. M. Pennings, M. J. N. van
Stalen ”Compact InP-Based Ring Lasers Employing
Multimode Interference Couplers and Combiners”,
Applied Physics Letters, Vol. 64, Issue 14, pp. 1753-
1755, 1994.
[3] 王俊鎧，”環形共振腔半導體雷射之研製”，國立中山大學光
電工程研究所，2003年6月。
[4] 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.
[5] 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. 33, July, 2002.
[6] D. G. Rabus, M. Troppenz, ”MMI-Coupled Ring
Resonator in GaInAsP-InP” IEEE Photonics Technology
Letters, Vol. 13, No. 8, pp. 812-814, 2001.
[7] 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.
[8] M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, ”
Overlapping-image multimode interference coupler with
a reduced number of self-images for uniform and
nonuniform power splitting” Applied Optics, Vol. 34,
No. 30, pp. 6898-6910, 1995.
[9] John Mauro , ”Nonlinear Optical Switching with Sagnac
Interferometers”.
[10] 陳雲霜，”半導體環型濾波器之研製”，國立中山大學光電工
程研究所，2003年6月。
[11] Meint K. Smit, Erik C. M. Pennings, Hans Blok, ”A
Normalized Approach to the Design of Low-Loss Optical
Waveguide Bends” Journal of Lightwave Technology,
Vol. 11, No. 11, pp. 1737-1742, 1993.
[12] L. H. Spiekman, Y. S. Oei, E. G. Metaal, F. H. Groen,
P. Demeester, M. K. Smit, ’’Ultrasmall waveguide
bends the corner mirrors of the future” IEE
Optoelectron, Vol. 142, No. 1, pp. 61-65, 1995.