面射型半导体雷射.DOCVIP

第一章 導論 第二章 面射型雷射的特性 第三章 面射型雷射的設計 3.1 活性層﹝Active Layer ﹞ 磊晶分佈布拉格鏡面﹝DBR﹞ blocking by implantation blocking by regrowth 光輸出﹝Light output﹞ 微米雷射的構造﹝fabrication of microlaser﹞ 第四章 實驗結果與討論 第五章 結論 參考資料 第 一 章 導論： 半導體雷射在光雷工業上極為重要，它的機能直接影響整個光電系統的機能。就發光的幾何結構而言。半導體雷射可分為邊射型(edge emitting)和面射型(surface emitting)兩種。邊射型雷射共振腔平行於晶片，它的兩面反射鏡直接由晶體劈開造成。面射型雷射的共振腔則垂直於晶片，因此它是面發光型式，如圖一所式。 到目前為止，各類型光電應用中所採用的皆為邊型雷射，而面射雷射自1978年由K.Iga所提出之後﹝1﹞，由於結構複雜且需精密之磊晶，所以直到1989年J.L.Jewell等人製成高反射率DBR單量子井的面射型雷射﹝2﹞，才帶動了各國在此型雷射的研熱潮。本文將針對面射型雷射的特性及設計上的幾個重點，諸如DBR、GRINSCH、Block、Regrowth等做一討論。此外，由實驗上所測得的幾組不同數據，雖未成功的發射出雷射光，但亦獲得某些成果，所以本文最後，會針對實驗設計與結果做一分析與討論。 第 二 章 面射型雷射的特性： 面型雷由於具有垂直共振腔和面發光的幾何結構，所以擁有傳統邊射型雷射所沒有的下列特點： 1、單模： 邊射型雷射由於共振腔長度為250~500μm，共振腔膜與膜之間距為1 nm，而半導體材炓的增益頻帶約為50~100nm，因此共振腔膜與膜之間的臨界增益差別非常小所以大多數邊射型雷射為多模﹝multimode﹞發光，而面射型雷射的共振腔長度非常短﹝約0.1μm﹞，自然就大過於材料的增益頻帶，因此天生就是單模發光。 2、圓形光柱﹝circular beam﹞ 由於邊射型雷活性層通常為0.1μm厚，1至2μm寬，250~500μm長，因此光強度分布為一直立橢圓形狀，而面射型雷射最自然的發光強度分佈即為圓形。圓形光柱使得面射型雷射容易聚焦，可因此簡化光學系統，此外圓形光柱也使得雷射和光纖耦合效率增加。 3、磊晶分佈布拉格鏡面﹝distributed bragg reflectors，簡稱DBR﹞： 面射型雷射的反射鏡是由DBR所組成，DBR是由兩種1/4波長厚度的薄膜﹝例如GaAs 與 AlAs﹞交互磊晶的結構，其反射率R兩薄膜之對數K及折率差﹝Δn﹞增大而增加，最高甚至可達99.9﹪，如圖2(a)所示。由於面射型雷射不需像邊射型雷射依靠劈開晶面以定義反射鏡，因此可以整片晶體直接測試，降低量產雷射的成本。 4、可作二維雷射陣列﹝2D Laser arrays﹞： 由於面射型的垂直共振腔結構，使得二維雷射陣列得以以自然形成﹝3﹞，此一特性乃邊射型雷射結構所無法達成的。二維雷射陣列可應用在光傳接﹝optical interconnect﹞與光計算﹝optical computing﹞等方面，將可帶動新的光電工業，此項特性賦予面射型雷射極大的潛力。 5、垂直式積合﹝vertical integration﹞： 面射型雷射之垂直共振腔使其很容易與其他光雷元件作垂直式積合。例如可將一個面射型雷和一個光偵測二極體垂直積合﹝4﹞，使光偵測器可以自動檢視雷射之發光強度。 面射型雷射由於具有上述特點，所以成為光雷工業上非常具吸引力之光源。 第三章 面射型雷射的設計 面射型雷射﹝Surface Emitting Laser，簡稱SEL﹞的設計基本上是在活性層（active layer）的兩旁，加上高反射率的DBR所成，而雷射的振盪與發光垂直於晶面，如圖3所示。在設計上的考量，面射型雷射與傳統邊射型雷射有所不同。以下本文即針對活性層、DBR、電性絕緣區（blocking）、再磊晶（Regrowth）等設計上的重點，作逐一介紹與討論。 3.1 活性層：（active layer） 自1989年高反射率DBR單量子井面射型雷射製成之後，往後的面射型雷射之活性層大多採用量子井設計。在設計活性層時，需注意兩點，一、活性層不能太厚，二、戴子限制效應要強。 就GaAs單一量子井而言，厚度約100?，需要至少100A/cm2的transparency電流密度。若是量子井數目為N個，或活性層厚度為N倍的100 ?，則所需transparency電流密度至少需要N倍的100 ?/cm2。這是由於transpare