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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
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  3. 元件材料與異質整合學位學程
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/99503
標題: 先進分佈式回饋雷射晶片之開發應用於光通訊及光感測系統
Development of Advanced Distributed Feedback Laser Chips for Optical Communication and Sensing Systems
作者: 劉德華
Te-Hua Liu
指導教授: 吳肇欣
Chao-Hsin Wu
關鍵字: 分佈式回饋雷射 (DFB Laser),直接調變雷射 (DML),窄線寬,高效率,非冷卻操作,光通訊,量子蜜鑰分佈,光達,兆赫茲,共封裝光學 (CPO),矽光子 (SiPh),半導體雷射製造,
Distributed Feedback (DFB) Laser,Directly Modulated Laser (DML),Narrow Linewidth,High Efficiency,Uncooled Operation,Optical Communications,Quantum Key Distribution (QKD),LiDAR,Terahertz (THz),Co-Packaged Optics (CPO),Silicon Photonics (SiPh),Semiconductor Laser Fabrication,
出版年 : 2025
學位: 博士
摘要: 本論文旨在探討與實現多種先進分佈式回饋 (DFB) 雷射晶片架構,針對光通訊領域如量子加密通訊、低軌道衛星光通訊、矽光子、共封裝光學,以及光感測應用如LiDAR、太赫茲感測,提出高效能、高穩定性及緊湊尺寸的雷射解決方案。
第一章提出研究動機,介紹半導體雷射的基礎理論、DFB雷射的操作原理以及自建的半導體雷射模擬平台,用以奠定後續研究的理論基礎。
第二章成功開發出600 µm短腔1.55 µm窄線寬DFB雷射,透過strain-induced InGaAsP主動區與多階段SCH波導設計,有效壓制雷射相位噪音。實驗顯示此雷射閾值電流最低達8.7 mA,PCE高達28.5\%,輸出功率超過60 mW。在50–175 mA間可連續調諧331 GHz頻率,SMSR穩定於50 dB以上,透過長短延遲DSHI驗證本質線寬低於20 kHz,適用於量子加密通訊與低軌道衛星光通訊平台。
第三章延伸1.55 µm DFB雷射元件的應用場景,首先驗證DFB雷射奈秒脈衝操作於Eye-Safe LiDAR系統,成功達成峰值功率6.3 W、脈衝寬度20.4 ns、單脈衝能量128 nJ的高穩定輸出。DFB雷射具備優異波長穩定性,適合低成本ToF-LiDAR等戶外測距之應用。再者,針對LEO光通訊需求,雷射輸出功率達125.76 mW、最大3 dB頻寬為6.12 GHz,並能低噪音傳輸12 Gb/s NRZ訊號。此外,透過兩段Bragg光柵設計的單晶片DW-DFB雷射產生穩定0.277–0.283 THz拍頻,具備高光功率、PDM< 1 dB、SMSR超過36 dB,本質線寬分別達117.33 kHz與70.59 kHz,展現太赫茲無線通訊與感測潛力。

第四章針對AI數據中心應用設計1.31 µm短腔高功率DFB雷射,以支援CPO系統之ELSFP規格。實驗顯示於25°C時最大功率達125 mW、PCE高於36%、相對強度噪音低至-159 dB/Hz,操作溫度至105°C仍能維持20 mW以上之功率,展示其適合用於高速交換器光源模組。
第五章開發高速直接調製能力的1.31 µm DFB雷射,採AlGaInAs材料系統與優化磊晶結構,提升微分增益以及響應頻率。成功展示未冷卻條件下穩定傳輸50 Gb/s NRZ和70 Gb/s PAM-4,RIN低於-147.14 dB/Hz,並透過TDECQ數值驗證其符合IEEE 802.3bs對200G乙太網路之要求。
本論文透過半導體元件模擬、磊晶設計、元件製作與特性驗證,展示不同波長與功能之DFB雷射潛力,奠定未來緊湊尺寸、高效率、高頻寬、低雜訊、低功耗光電整合平台的技術基礎。
This dissertation explores advanced distributed feedback (DFB) laser chip architectures, presenting efficient, highly stable, and compact solutions for optical communications, including quantum encryption, LEO satellite links, silicon photonic, and co-packaged optics, as well as sensing applications such as LiDAR and terahertz sensing.
Chapter 1 presents the research motivation and introduces the basic theories of semiconductor lasers, the operating principles of DFB lasers, and the self-constructed semiconductor laser simulation platform, which is used to lay the theoretical foundation for the subsequent research.
Chapter 2 introduces a 600-µm short-cavity 1.55-µm DFB laser with an exceptionally low intrinsic linewidth below 20 kHz, high efficiency (PCE of 28.5%), and output power exceeding 60 mW, ideal for quantum encryption and satellite communications.
Chapter 3 demonstrates the 1.55-µm laser’s versatility in LiDAR, achieving stable nanosecond pulses (peak power 6.3 W, pulse width 20.4 ns), and in terahertz applications with a monolithic dual-wavelength DFB laser generating stable THz beat frequencies (0.277–0.283 THz), high SMSR (> 36 dB), and linewidths as low as 70.59 kHz.
Chapter 4 presents a 1.31-µm short-cavity, high-power DFB laser for AI data-center applications, achieving >125 mW output power, high efficiency (>36% PCE), and maintaining performance at elevated temperatures (105°C).
Chapter 5 focuses on a directly modulated 1.31-µm DFB laser with optimized AlGaInAs epitaxy, enabling stable, uncooled data transmission up to 70 Gb/s PAM-4, compliant with IEEE 802.3bs standards for 200G Ethernet.
Through detailed device simulations, epitaxial design, fabrication, and characterization, this thesis establishes a solid technical foundation for future compact-size, high-efficiency, high-bandwidth, low-noise, and energy-efficient integrated photonic platforms.
URI: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/99503
DOI: 10.6342/NTU202501114
全文授權: 同意授權(限校園內公開)
電子全文公開日期: 2030-07-21
顯示於系所單位:元件材料與異質整合學位學程

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