本篇論文中，我們使用以磷化銦(InP)為基板並於主動層含有調變摻雜(Modulation Doping)結構之多重量子井結構磊晶片，設計用於光通訊波長1.55μm之半導體光放大器及環形共振腔半導體雷射，並完成其光罩的設計與元件的製作。同時完成架設光學量測系統，用來量測元件完成後各項參數特性，驗證元件是否達成預期的功用。
在元件製程方面，則是使用Multi-step Undercutting製程，以精確控制濕式蝕刻製程中所造成的側蝕現象，以求在元件製作完成後能獲得一接進理論設計的尺寸。
對於半導體光放大器元件而言，我們設計了Fabry-Perot Amplifier及Traveling Wave Amplifier兩種型式。並利用Multi-step Undercutting製程完成元件的製作。該元件的量測主要以輸入電流對輸出功率變化圖、自發性放射光譜及光電流變化三項為主。希望從這三項量測所獲得的數據中得知半導體光放大器的元件及材料特性的相關資訊。
而在環形共振腔雷射方面，我們結合環流鏡結構(Loop Mirror)及非對稱式邁克生干涉儀(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer，AMZI )及完成具良好旁模抑制能力之單一波長光源雷射。在量測方面則是針對其頻譜特性作量測，以驗證是否達成我們的設計目標。

In this thesis, we use InP based multiple quantum well epi-wafer with modulation doping in the active layer to design the semiconductor optical amplifier and ring laser for the optical communication at 1.55μm wavelength. We also finish the mask design and fabrication of theses two devices. Besides, we have established an optical measurement system, including the L-I measurement, the optical spectrum measurement and the far field measurement, to test the device parameters.
In the device process, we use the new method, called the Multi-Step Undercutting, to precisely control the undercut in the wet etching process. With this technique, we can get a smooth and vertical sidewall for our devices.
For the semiconductor optical amplifier, we design two different types, one is the Fabry-Perot Amplifier and the other is the Traveling Wave Amplifier. We use the Multi-Step Undercutting process in the fabrication of these two devices. The main parameters for semiconductor optical amplifier are the change of the output power versus the input current, the spontaneous emission spectrum and the photocurrent spectrum.
For the ring laser, we combine the concept of Loop Mirror and Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer to obtain the laser with good side mode suppression for a single wavelength light source.

目錄 頁次
第一章 簡介 01
1-1 前言 01
1-2 環形共振腔半導體雷射 02
1-3 半導體光放大器 03
1-4 論文架構 04
第二章 多模干涉耦合器(Multi-Mode Interference) 05
2-1 前言 05
2-2 環形共振腔半導體雷射原理 05
2-2-1 多模干涉耦合器(Multi-Mode Interference，MMI) 06
2-2-2 非對稱式邁克生干涉儀(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer，AMZI ) 11

2-2-3 環流鏡(Loop Mirror) 13
2-3 半導體光放大器 17
2-3-1 光放大器增益及輸出飽和功率 17
2-3-2 光放大器雜訊(Noise)
2-3-3 半導體光放大器元件模擬 21
24
2-4 調變摻雜 26
第三章 元件光罩設計圖 29
3-1 前言 29
3-2 1.55波長元件 29
3-2-1 環形共振腔半導體雷射AutoCad設計圖 29
3-2-2 半導體光放大器AutoCad 設計圖 30
3-3 1.49波長元件 31
第四章 元件製程步驟及結果 32
4-1 前言 32
4-2 磊晶片結構資料 34
4-3 製程示意圖 38
4-4 製程步驟及結果 42
第五章 量測結果與討論 51
5-1 前言 51
5-2 量測系統介紹 51
第六章 結論 55

圖目錄 頁次
第一章 簡介

第二章 元件原理與設計
圖2-1 環形共振腔半導體雷射元件示意圖 05
圖2-2 多模干涉器原理示意圖 06
圖2-3 寬度為10μm多模干涉耦合器N=0光模模擬圖 07
圖2-4 寬度為10μm多模干涉耦合器N=1光模模擬圖 07
圖2-5 寬度為10μm多模干涉耦合器N=2光模模擬圖 07
圖2-6 2×2 多模干涉耦合器耦合器示意圖 08
圖2-7 2×2多模干涉耦合器模態干涉激發型式 09
圖2-8 1X2 3dB耦合器內部光場分佈圖 10
圖2-9 2X2 3dB耦合器內部光場分佈圖 10
圖2-10 耦合係數為0.15之多模干涉耦合器內部光場分佈圖 10
圖2-11 邁克生干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer)示意圖 11
圖2-12 環流鏡元件示意圖 13
圖2-13 基本型具環流鏡的環型共振腔雷射 14
圖2-14 單環環形共振腔結構下各波長輸出功率強度變化情形 15
圖2-15 AMZI結構下各波長輸出功率強度變化情形 15
圖2-16 合併單環環形共振腔結構及非對稱式邁克生干涉儀對旁模抑制效果 16
圖2-17 使用HBr蝕刻溶液修飾波導側面後的結果 23
圖2-18 2.2μm脊狀波導光模模擬圖(TE0_Neff=3.200762546) 24
圖2-19 2.2μm脊狀波導遠場光模模擬圖 24
圖2-20 2.2μm脊狀波導垂直發散角模擬圖 25
圖2-21 2.2μm脊狀波導水平發散角模擬圖 25
圖2-22 調變摻雜能帶示意圖 26
圖2-23 摻雜種類、電流密度與增益關係圖 27
圖2-24 增益係數與自發性輻射係數關係圖 27
圖2-25 載子密度與生命期關係圖 28

第三章 元件光罩設計圖
圖3-1 環形共振腔半導體雷射設計圖 29
圖3-2 半導體光放大器設計圖 30
圖3-3 1.49波長元件設計圖 31

第四章 元件製程步驟及結果
圖4-1 Multi-step Undercutting製程結果示意圖
32
圖4-2 Multi-step Undercutting實際製程結果圖 33
圖4-3 1.55μm波長試片光激螢光光譜圖 35
圖4-4 1.55μm波長試片量子井能帶模擬圖 35
圖4-5 1.49μm波長試片光激螢光光譜圖 37
圖4-6 1.49μm波長試片量子井能帶模擬圖 37
圖4-7 1.55μm元件Multi-step Undercutting蝕刻後波導側面圖 45
圖4-8 1.49μm元件Multi-step Undercutting蝕刻後波導側面圖 45
圖4-9 1.49μm元件Multi-step Undercutting蝕刻後波導圖 46
圖4-10 1.49μm元件俯視圖 46

第五章 量測結果與討論
圖5-1 量測系統架構示意圖 51
圖5-2 1: 99 Coupler示意圖 52
圖5-3 驗證量測系統收光效率頻譜圖 53
圖5-4 驗證量測系統模態量測結果圖 54

第六章 結論

表目錄 頁次
第一章

第二章

第三章

第四章
表4-1 1.55μm波長試片結構明細表 34
表4-2 1.48μm波長試片結構明細表 36

第五章

第六章

[1]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.
[2]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。
[3]B. Soldano, 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.
[4]T. Saitoh and T. Mukai,”1.5