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半導體雷射技術

半導體雷射技術. 盧延昌、王興宗 著. 垂直共振腔面射型雷射之特性. 由於雷射光在 DBR 中具有部分穿透的效應， VCSEL 共振腔的長度就必須考慮到穿透深度，因此推導 VCSEL 的閾值條件就不能僅使用成長結構中的共振腔為整體 VCSEL 的雷射共振腔長度。如圖 4-7(a) 的 VCSEL 結構包含了左右兩邊的 DBR 以及中央的共振腔和主動層。

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半導體雷射技術

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Presentation Transcript

  1. 半導體雷射技術 盧延昌、王興宗 著

  2. 垂直共振腔面射型雷射之特性

  3. 由於雷射光在DBR 中具有部分穿透的效應，VCSEL 共振腔的長度就必須考慮到穿透深度，因此推導VCSEL 的閾值條件就不能僅使用成長結構中的共振腔為整體VCSEL 的雷射共振腔長度。如圖4-7(a)的VCSEL 結構包含了左右兩邊的DBR 以及中央的共振腔和主動層。 • 中央的共振腔和主動層的厚度分別為L 與da，而雷射光場在左右兩邊DBR 的部分逐漸衰減，我們可以定義其穿透深度分別為Leff,L 與Leff,R，表示這些逐漸衰減的雷射光場強度可以改用一個固定雷射光場強度的區域來替代。

  4. 如圖4-7(b)所示，此時VCSEL 的結構簡化為兩面固定反射率的反射鏡，其反射率分別為R1和R2，共振腔的長度為 • 而共振腔中只有兩個區域，一是主動層，一是披覆層的區域。儘管共振腔的有效長度變大了，但是本質上VCSEL 共振腔的有效長度還是在數個光學波長厚度的範圍內，如圖4-7(b)中的電場平方分佈圖，屬於短共振腔的雷射。

  5. 若主動層位於電場平方的谷底，則zs=λ/4nr，而cos(2nrπ/λ ‧2zs)=-1，則增益增強因子趨近於零，VCSEL 的閾值增益會變得非常大!因此在設計與成長VCSEL 的主動層時，厚度的控制非常重要。 • 儘管將主動層變薄能使增益增強因子變大，但是主動層變薄的代價還是閾值增益的提升，若將主動層分為好幾個分別置放到電場平方的峰值區域，如圖4-8 所示，可以同時達到主動層的總厚度不變，但是增益增強因子可以趨近於2 的效果，這種設計稱為週期性增益結構(periodic gain structure)，可以有效降低VCSEL 的閾值電流與提高輸出功率!

  6. VCSEL 相較於傳統的邊射型雷射而言，另一項重要的區分在於VCSEL 具有很短的雷射共振腔。 • 如圖4-9(a)結構所示，一般的邊射型雷射由於具有較長的共振腔，因此模距(mode spacing = c/2nrL)非常小，這也導致雷射波長總是落在增益頻譜的峰值上，當元件溫度隨著注入電流增加而升高時，雷射波長亦會隨著增益頻譜的移動而往長波長紅移，使得雷射的波長對於元件溫度的變化相當敏感。。

  7. 然而對於VCSEL而言，其雷射共振腔的光學長度大約為雷射發光波長之數量級，因此共振腔中所容許的光學縱向模態間隔增加，有機會讓增益頻譜中只有一個縱向的光學模態存在，如圖4-9(b)所示。然而對於VCSEL而言，其雷射共振腔的光學長度大約為雷射發光波長之數量級，因此共振腔中所容許的光學縱向模態間隔增加，有機會讓增益頻譜中只有一個縱向的光學模態存在，如圖4-9(b)所示。 • 在此情形下，雖然主動區的增益頻譜會隨著元件溫度的增加而改變，但是雷射模態卻是被增益頻譜所涵蓋的共振腔模態所決定。因此VCSEL 的雷射波長就不容易隨著元件溫度的改變而產生變化，此為VCSEL 作為光纖通訊光源的一項重要特性之一。

  8. VCSEL 由於具有非常短的雷射共振腔，因此本質上有許多特性與邊射型雷射完全不同。由上面的介紹我們知道VCSEL 通常只會有一個共振腔模態落於主動區的增益頻譜中。 • 因此當共振腔模態所對應的波長與增益頻譜峰值所對應的波長存在差異時，便會影響VCSEL 的特性。

  9. 圖4-10(a)表示VCSEL 共振腔模態波長與增益頻譜之間的相對關係[22]，由圖中的關係可以推論，當共振腔模態波長落於增益頻譜的峰值時，雷射會具有最小的閾值電流值；反之，雷射的閾值電流值就會增加。 • 對於一個Fabry-Perot 光學共振腔而言，共振腔所能容許的共振波長與共振腔的長度直接相關，圖4-10(b)表示一個經過特殊設計使晶片表面具有不同共振腔厚度的VCSEL 雷射，而當點測晶片上不同位置時所得到的雷射閾值電流關係圖。

  10. 由於主動區量子井的增益頻譜並不會隨著晶片上的不同位置改變，因此雷射閾值電流會隨著晶片上的不同位置而改變必然是由不同共振腔厚度所造成，這是由於晶片上不同位置改變了共振腔模態波長與增益頻譜峰值之間的相對關係。由於主動區量子井的增益頻譜並不會隨著晶片上的不同位置改變，因此雷射閾值電流會隨著晶片上的不同位置而改變必然是由不同共振腔厚度所造成，這是由於晶片上不同位置改變了共振腔模態波長與增益頻譜峰值之間的相對關係。 • 對於實際的應用而言，一般VCSEL 在電激發操作下，元件的溫度亦會逐漸升高，當溫度升高時會導致共振腔模態波長與增益頻譜都往長波長移動，然而其移動的機制與幅度並不相同。共振腔模態波長的紅移主要是由於溫度升高引起半導體材料的折射率改變。

  11. 一般溫度增加造成的共振腔模態波長紅移大約為0.8 Å/℃；而增益頻譜的紅移大約為3.3 Å/℃。 • 因此，利用這種波長紅移的不一致性，加上適當的共振腔模態波長與增益頻譜的差異，實驗上確實可以設計出在特定的溫度範圍下，雷射的閾值電流隨著溫度的變化幾乎是無相關性的VCSEL，如圖4-10(c)所示。

  12. 在實際的應用中，VCSEL 操作環境的溫度較高，因此主動層的增益頻譜峰值的波長通常要較共振腔光學模態的波長要短，以弭補增益頻譜峰值波長隨著熱效應所增加的波長，而達到最佳的雷射輸出特性。

  13. 由於VCSEL 共振腔的體積非常小，可以稱之為微共振腔(micro-cavity)，因為要達到閾值條件VCSEL 必須擁有非常高反射率的反射鏡。在這樣的條件下，在共振腔中光子的模態體積不僅小，還被侷限的很好，在這樣的微共振腔中，光子和主動層中的載子會產生非常強的交互作用，形成所謂的微共振腔效應。

  14. 如圖4-11 所示，在主動層中所放出的光子可分為自發放射的光子和受激放射的光子，其中受激放射的光子即為可用的雷射光，而自發放射的光子其頻率分布很廣，發射的方向為整個4π的立體角。但有一小部分的自發放射的光子和受激放射的光子為相同模態，具有一致的頻率、相位和方向，可以貢獻到雷射發光上，這個比率我們定義為自發放射因子。因此我們可以定義：

  15. 如圖4-13 所示，VCSEL 主要有四種典型的基本結構：蝕刻空氣柱結構(etched air-post)、離子佈植式結構(ion implanted)、再成長掩埋異質結構(regrown buried heterostructure)與氧化侷限結構(oxide-confined)。 • 接下來我們將分別針對這四種結構作介紹，其中由於氧化侷限式VCSEL 結構可以同時提供橫向的載子與光學侷限，也是目前最常使用的技術。

  16. 為了要求製作出橫方向具有微小截面積與平坦的垂直側壁，這種蝕刻製程必須藉由化學輔助離子束蝕刻或是反應離子蝕刻技術。為了要求製作出橫方向具有微小截面積與平坦的垂直側壁，這種蝕刻製程必須藉由化學輔助離子束蝕刻或是反應離子蝕刻技術。 • 由於蝕刻後的結構造成空氣與半導體之間具有很大的折射率差異，因此在橫方向上具有強烈的光學侷限，由於中央和週圍的折射率差異太大。

  17. 我們在第二章已討論過，高次橫向模態可以存在，因此在這種結構下的VCSEL 通常在達到閾值電流後會表現出多重橫向模態。 • 除此之外，蝕刻空氣柱結構容易因為蝕刻而造成側壁的破壞形成非輻射復合中心，進而增加閾值電流，此外隨著蝕刻深度的加深將會增加的光學的繞射損失與隨之而來嚴重的熱阻等問題，都是製作蝕刻空氣柱結構時必須考量的重點。

  18. 其次，如圖4-13(b)結構所示，利用離子佈植技術來定義出橫方向的電流注入區，其原理是利用高能量的質子或離子束將其佈植於上DBR 的區域造成晶體結構的破壞而形成絕緣體。 • 因此注入電流將會被侷限在中央主動區的小區域，然而如何避免因為離子佈植而造成主動區的損壞將是製作此種VCSEL 結構的重點，因為主動區被離子轟擊而破壞後將會導致嚴重的非輻射復合，而增加閾值電流。

  19. 雖然電流路徑能被離子佈植技術所定義，但是此種結構並不存在橫方向的光學侷限機制，因此橫方向的光學侷限將是由熱引起的正折射率差異與因載子注入所引起的負折射率差異之間的相互競爭所決定，在此情形下，由於空間燒洞 (spatial hole burning)效應的存在使得離子佈植VCSEL 結構具有非常複雜的多重橫向模態。

  20. 第三種VCSEL 結構是利用再成長掩埋異質結構的VCSEL，這種結構與蝕刻空氣柱VCSEL 結構比較，可以有效避免過大的橫向折射率差異所引起的高次模態行為，並可以提高散熱效率，如圖4-13(c)結構所示。 • 此結構利用蝕刻技術去除共振腔周圍的材料，然後接著利用再成長的方式將被蝕刻的區域取代為高能隙與低折射率的材料，利用此項技術可以同時達到橫方向光與電流侷限的需求。

  21. 然而製作再成長掩埋異質結構的VCSEL 需要相當高的技術門檻，這是由於通常再成長的材料必須含有高鋁含量的材料才能達到高能隙與低折射率材料的要求，但是高鋁含量的材料很容易氧化，在再成長前去除自然氧化的部份是相當困難的，所以特殊的蝕刻技術與避免空氣的曝露都是磊晶再成長的重要技術。

  22. 第四種結構則是相對而言製作上較為方便的方式，利用選擇性氧化的方式可以同時達到橫方向光與電的侷限，如圖4-13(d)結構所示。因為氧化層的形成是利用轉換DBR 中高鋁含量的AlGaAs 材料成為絕緣的AlOx 氧化物，在VCSEL 共振腔周圍形成氧化物，可以限制電流往中央的主動區流動，氧化層同時具備低折射率的特性以達到光學侷限的效果。

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