VCSEL技術原理與應用(2版)

第一章 垂直共振腔面射型雷射的發展
1.1 雷射發展歷史
1.2 面射型雷射發展歷程
1.3 面射型雷射之優點
1.4 面射型雷射初期研發進展
1.5 可見光面射型雷射
1.6 長波長面射型雷射
1.7 多波長與可調波長面射型雷射
1.8 短波長面射型雷射
參考資料

第二章 半導體雷射基本操作原理與結構
2.1 雙異質接面
2.2 半導體光增益與放大特性
2.3 半導體雷射震盪條件
2.3.1 振幅條件
2.3.2 相位條件
2.4 速率方程式與雷射輸出特性
本章習題
參考資料

第三章 VCSEL基本操作原理
3.1 VCSEL與EEL的比較
3.2 布拉格反射鏡
3.2.1 傳遞矩陣
3.2.2 穿透深度
3.2.3 布拉格反射鏡結構設計
3.3 垂直共振腔面射型雷射之特性
3.4 溫度效應
3.5 微共振腔效應
3.6 載子與光學侷限結構
本章習題
參考資料

第四章 高速VCSEL操作動態特性
4.1 小信號響應
4.1.1 弛豫頻率與截止頻率
4.1.2 非線性增益飽和效應
4.1.3 高速雷射調制之設計
4.1.4 小信號速率方程式之暫態解
4.2 大信號響應
4.2.1 導通延遲時間
4.2.2 大信號調制之數值解
4.3 線寬增強因子與啁啾
4.3.1 頻率啁啾與頻率調制
4.3.2 半導體雷射之發光線寬
4.4 相對強度雜訊
本章習題
參考資料

第五章 GaAs-based VCSEL製作技術
5.1 電流侷限方法
5.1.1 增益波導
5.1.2 折射率波導
5.1.3 離子佈植法
5.1.4 氧化侷限法
5.2 面射型雷射製程技術
5.2.1 蝕刻
5.2.2 選擇性氧化
5.2.3 金屬電極製作
本章習題
參考資料

第六章 紅外光VCSEL技術與應用
6.1 紅外光VCSEL元件
6.1.1 InP異質接面／量子井面射型雷射
6.1.2 InGaAs量子井面射型雷射
6.1.3 InGaAsN量子井面射型雷射
6.1.4 InAs量子點面射型雷射
6.2 紅外光VCSEL應用
6.2.1 光通訊應用與高頻操作
6.2.2 光資訊應用與單模操作
6.2.3 感測器應用
6.3 紅外光VCSEL的近期發展
6.3.1 面射型雷射陣列
6.3.2 多接面面射型雷射
6.3.3 下發光面射型雷射
6.3.4 可定址面射型雷射陣列
本章習題
參考資料

第七章 藍紫光VCSEL技術與應用
7.1 藍紫光VCSEL用之反射鏡
7.2 光激發式藍紫光VCSEL
7.3 電激發式藍紫光VCSEL
7.4 藍紫光VCSEL的近期發展
7.4.1 混合式氮化鎵VCSEL
7.4.2 介電質氮化鎵VCSEL
7.4.3 HCG氮化鎵VCSEL
參考資料

 

第二版序

　　從2019本書第一版付梓到現在這個時刻，全球因為Covid-19新冠肺炎的嚴重影響，從大規模城市到國家的封鎖，從個人健康威脅與疫苗注射到許多人的求學、就業與生活都必須被迫改變，讓這個世界變得很不一樣了。在此期間，數位科技扮演了人們為了應付此突如其來的大變化一個相當重要的角色，我們開始習慣於網上購物、線上學習與視訊會議，各式各樣的機器人、無人機與自動駕駛的技術逐漸應用到我們生活周遭，最近OpenAI展示的生成式AI更開啟了人工智慧的新一波榮景；很慶幸VCSEL的優異特性與持續的發展和演進，讓其應用到前述的許多場景，尤其是近年來的資料中心的光連結，5G、6G通訊以及3D感測與自動駕駛對VCSEL的需求越來越大，也因此促成作者能夠在此刻再版此書。在此版本中更正了這幾年來所發現而累積到目前的錯誤，並在新版中加上VCSEL一些新的進展，希望此版本能提供學生、研究學者、老師與業界人員一本深入淺出介紹VCSEL各方面技術的書籍，也希望讀者能不吝回饋與指教本書仍可能存在的謬誤。

　　最後，非常感謝五南出版社對此書的再版，作者盧廷昌要感謝國立陽明交通大學光電系與穩懋半導體的支持，以及要深深感謝這位不但持續支持全心投入在工作、教學、研究還要寫書而無暇顧家的我、而且仍不斷給我鼓勵往前衝刺的妻子—詠梅。作者尤信介要感謝加州大學洛杉磯分校工學院副院長暨電機系諾斯洛普講座劉佳明教授在出版專書經驗分享與教學研究工作上的鼓勵。
序

　　自從日本東京工業大學伊賀健一教授在1979年首次成功製作出垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs）以來，這個全新結構且具備眾多優異操作特性的雷射元件迅速成為各大光電產業及研究機構競相投入開發的新興領域。面射型雷射也在1990年代中期成功商品化，早期主要應用於短距離光纖通訊收發模組主動光源，也成為推動90年代末期進入網路資訊化社會的主要原動力之一。由於發展過於迅速，且電子商務剛處於萌芽階段，對頻寬需求較大的數位內容相關產業尚未建立，入口網站獲利模式也還不夠明確，因此在21世紀初出現網路泡沫化危機，對寬頻網路的需求一度停滯，並且有許多已經佈建完成的光纖網路也處於閒置狀態未曾被啟用，連帶影響光收發模組需求導致許多原先從事面射型雷射研發生產製造的廠商相繼終止投資，並面臨部門裁撤甚至被購併的危機。此時開始有廠商將面射型雷射應用於感測器相關用途，開啟另一項潛在市場規模更大的應用。

　　在2007年起由於智慧型手機開始逐漸普及，社群網站與數位內容影音串流等對高速網路頻寬需求迫切的應用陸續浮現，同時各國網路服務供應商也積極佈建光纖到府等最後一哩（last mile）網路接取基礎建設，因此光通訊模組市場再度活絡，且需求較網路泡沫化之前的高峰期還要可觀，不僅是網路服務需求，數據中心與數位裝置高速傳輸介面也逐漸需要仰賴面射型雷射作為具成本效益且低功耗、高性能的傳輸模組主動光源。雖然在2014年就開始有智慧型手機裝設面射型雷射作為相機對焦輔助光源，但是在2017年，全球智慧型手機獲利龍頭廠商首次在旗艦機款搭載具備多顆面射型雷射主動光源的3D景深辨識系統，瞬間將面射型雷射的市場需求推升到前所未有的高度，隨著主要手機製造商的跟進，目前面射型雷射在感測器相關用途的需求已經超越光通訊模組，並且隨著第5代行動通訊（5G）網路的佈建，人工智慧與物聯網AIoT、自駕車技術以及擴增／虛擬實境AR/VR的蓬勃發展，對VCSELs的需求總數還有可能持續攀升。

　　臺灣學術研究單位與光電產業很早就投入面射型雷射技術研發，在過去20幾年來已經累積相當豐碩的研究成果與量產經驗。目前在面射型雷射領域已經建立完整的上游磊晶成長、中游晶粒製造以及下游封裝模組的產業鏈，所欠缺的部分環節在於最上游的研發人才培育以及最後段的產品出海口系統應用端，這也是附加價值最大的一環，因此為了提升面射型雷射產業整體競爭力，有必要吸引更多優秀人才投入先進技術研究以及產品應用開發。本書主要目的即在於提供光電相關領域研發人員，以及具備基礎知識的學生及產業分析、產品設計人員一個深入了解面射型雷射技術發展的管道，希望有助於提升並強化相關產業的競爭力。

　　本書主要針對大專院校及研究所具備物理、電子電機、材料、半導體與光電科技相關背景的學生以及相關產業研發人員，提供一個進階課程所需的參考書籍，同時部分章節中附以範例與章節習題，除了可以幫助讀者在研讀時易於了解章節的重點外，亦可當作教授大四及研究所以上的教科書使用。全書共分為七章，第一章介紹面射型雷射發展歷程，第二章簡要說明半導體雷射的基本操作原理，以最早被發明的邊射型雷射（edge emitting laser, EEL）為基礎，先介紹p-n雙異質接面的操作特性；接著再介紹半導體雷射主動層中電光轉換的部分，也就是增益介質將光放大的特性，之後則討論雷射振盪的條件以及介紹半導體雷射的速率方程式，引入載子生命期、光子生命期、自發性輻射因子等參數，列出載子密度與光子密度的速率方程式來推導半導體雷射的閾值條件與輸出特性。第三章針對面射型雷射結構設計考量，主要於介紹垂直共振腔面射型雷射的原理、設計、結構與發展現況，其中包含面射型雷射中重要的高反射率反射鏡DBR（distributed Bragg reflector）的設計與適當的材料選擇，此外對於垂直共振腔面射型雷射的設計概念、操作特性與溫度效應做詳細的說明，並介紹光學微共振腔的效應。第四章中，我們將運用載子濃度與光子密度的速率方程式，來了解雷射操作特性隨時間變化的動態行為。依受到外部調制的大小區分為大信號與小信號分析；在小信號分析裡，我們可以獲取半導體雷射的各種輸出特性的變化量對應於輸入參數的變化量，我們將介紹半導體雷射系統因為載子濃度與光子密度的速率方程式互相耦合所產生的共振現象，並推導其在共振時的振盪頻率即弛豫頻率以及其所對應的截止頻率或調制響應的頻寬，接著再介紹當半導體雷射操作在大電流或是高雷射輸出功率時所產生的非線性增益飽和的現象，以及其對半導體雷射的弛豫頻率與調制響應頻寬的影響，然後再討論載子濃度與光子密度在小信號近似下隨時間變化的暫態解。在大信號分析的介紹中，會先討論半導體雷射在瞬間輸入電流導通時產生延遲輸出的原因以及眼圖的概念。而在大信號分析的介紹中，會衍伸出所謂的雷射輸出信號啁啾的現象，為了說明這個現象，我們將介紹所謂的線寬增強因子在半導體雷射中產生的原因與影響，接著就會推導出半導體雷射光在頻譜量測中得到的發光線寬，以了解線寬增強因子在半導體雷射中所扮演的重要角色。最後，將介紹相對強度雜訊的起源與影響，以及和半導體雷射中弛豫振盪的關係。第五章著重於目前最廣
　　泛應用的砷化鎵系列材料面射型雷射製程技術，特別是選擇性氧化面射型雷射製程技術介紹；第六章探討長波長面射型雷射製作技術以及在光通訊、光資訊以及感測技術上的應用；最後第七章主要介紹短波長的藍綠光、紫光和紫外光氮化鎵面射型雷射發展。寬能隙藍光氮化鎵材料及其相關的光電元件發展在最近十年內一直是熱門的研究議題，由於氮化鎵材料並無晶格匹配的基板，因此在磊晶成長高品質氮化鎵薄膜始終面臨了高缺陷密度的問題，加上高濃度的p型氮化鎵製作不易，使得氮化鎵相關的光電元件發展相較於一般三五族材料緩慢許多。現今氮化鎵藍光邊射型雷射已發展相當成熟，並且已有商品化的出現，然而相較於藍光邊射型雷射而言，藍光VCSEL的發展卻非常緩慢，其中重要的關鍵在於缺少晶格匹配的基板與高反射率的氮化鎵DBR反射鏡製作困難，我們將在本章介紹藍紫光VCSEL的技術發展。

　　本書的部分內容源自作者之一盧廷昌由五南圖書於2008年出版的《半導體雷射導論》以及2010年出版的《半導體雷射技術》。之後，五南圖書編輯部常與我聯繫，希望我能就其他種類的雷射編寫教科書或專業文獻，只是礙於繁重的教學與研究工作，一直無法答應，直到這兩年VCSEL的元件需求迅速攀高，加上作者之一的尤信介欣然同意加入撰寫此書的行列，才能應五南圖書王正華主編的邀請將編撰本書的具體行動付諸實現。

　　我們想感謝交通大學光電系和光電學院提供良好的環境，讓作者得以在不受打擾的氛圍中埋首寫作！本書的完成經歷了許多人的參與協助，特別感謝五南圖書的編輯部門能迅速將我們的初稿編輯成冊。作者之一盧廷昌要感謝指導教授交大光電系的王興宗老師帶領進入半導體雷射的領域，並持續鼓勵與支持其研究工作，同時也要感謝交大光電系的同仁們的支持與協助，而博士班的學生祖齊、振庭在藍光面射型雷射、高速操作分析等內容的提供，為本書增添不少可讀性。作者之一的尤信介要感謝在工研院光電所實習期間參與經濟部科專計畫與國合計畫VCSEL技術研發團隊的指導與協助，包含郭浩中教授、張慶安博士、宋嘉斌博士、楊泓斌博士、祁錦雲博士、林國瑞博士、邱舒偉博士、王智祥博士、吳易座博士、江文章博士、黃俊元博士、賴芳儀博士、張亞銜博士、李晉東博士、陳奕良博士以及俄羅斯科學院Ioffe Institute Dr. A. R. Kovsh, Dr. N. A. Maleev, Dr. S. S. Mikhrin, Dr. D. A. Livshits, Prof. M. Kokorev等，以及成功大學蘇炎坤教授、許渭州教授與張守進教授和在美國進行科技部補助博士後研究計畫期間UCLA電機系王康隆院士與史丹佛大學電機系Prof. J. S. Harris及實驗室團隊成員的諸多協助。

　　最後，作者盧廷昌要深深感謝在教學、研究還要寫書的過程中不斷給我鼓勵和支持的妻子詠梅。