1、九十二學年度第二學期Study Meeting報告,報告者：陳秀芬指導教授：郭艷光 老師日期：2003/3/28,Design and analysis of red VCSEL for short-distance optical fiber communication,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,2,摘要前言光纖通信與光源塑膠光纖及其適用光源面射型雷射元件之設計與分析初始結構設計DBR材料及對數之探討各項特性結論,目 錄,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,3,摘要,本文以磷化鋁鎵銦做為DBR材料，使用PICS3D模擬軟體來設計短程光纖通信用之磷化鋁鎵銦面射型雷射，其發光波長為65
2、0 nm。為了降低雷射的臨界電流，本研究採用current spreading結構，經模擬分析所得到的臨界電流為1.62 mA。 此外，本文亦探討此一雷射結構的光學性質，如DBR的特性、共振腔能帶結構、受激放射速率、及主要對次要模式壓制比等。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,4,前言(1)-光纖通信與光源,光纖通信(optical fiber communication)因為網路通訊的發達已日趨重要，而光纖通信所需要的光源也是極重要的一環。光纖通信所需的光源性質與其他應用稍有不同，這種光源需在狹窄的波帶(band of wavelength)裡有極高的發光亮度，其放射截面積不能大於光纖中心
3、的直徑，且要能配合光纖的數值孔徑(numerical aperture，簡稱NA)，除此之外，光源必須很容易在高頻率時能夠做調制(modulation)。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,5,前言(2)-光源種類與比較,目前被應用在光纖通信上的光源有側射型發光二極體(edge-emitting light emitting diode，ELED)、面射型發光二極體（surface-emitting light emitting diode，SLED）、側射型半導體雷射（edge-emitting laser，EEL）以及面射型半導體雷射(vertical-cavity surface-em
4、itting laser，VCSEL)等數種。發光二極體的光輸出屬於自發輻射(spontaneous emission)，其頻寬約在100150 nm左右，發出的光極為分歧，且在低溫操作時輸出功率約只有0.13 mW，所以傳輸速率較差。相較之下，雷射光源可以得到較高的光輸出(輸出功率約為3100 mW)，以及狹窄的發光頻寬(在這種情形之下磊晶薄膜不會感受到應力(strain)，半導體元件因此較不容易產生晶體缺陷。但在文獻中指出，若發光波長在650660 nm之間，有些微的壓縮應力為佳，我們的模擬結果亦如此。因此我們將模擬的活性層材料選擇為Ga0.443In0.557P/(Al0.5Ga0.5)
5、0.5In0.5P 。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,12,650 nm紅光面射型半導體雷射的模擬結構圖,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,13,DBR的設計,選用Al0.5In0.5P以及(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P做為低折射率層與高折射率層的材料，其折射率分別為3.280和3.576，每一層的厚度均為雷射光在各半導體層內波長的四分之一(/4)，其值分別為49.5 nm及45.4 nm。n-type共30對，摻雜濃度為2.01024 m-3，p-type共20對，摻雜濃度為2.01024 m-3。此時n-type DBR的反射率大約為99.10，符合反射率必須超過99的
6、要求。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,14,變化DBR對數的反射頻譜圖,當DBR對數逐漸提高，反射率頻譜的平台逐漸變窄，並且最高反射率(在650 nm處)也隨著逐漸提高，當對數為50時，反射率已高達99.84。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,15,不同DBR材料的反射頻譜比較圖,上圖為將初始結構中的DBR換成AlAs/Al0.5Ga0.5As，上下對數不變，來比較兩種材料作為DBR時的反射率頻譜。在同樣的DBR對數(30對)之下，AlGaAs系統的反射率特性比起AlGaInP系統要好一些。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,16,量子井位置與光子駐波的疊合圖,在模擬結構中，我們將
7、共振腔長度設計為一個波長，使光子能在其中形成駐波，並在共振腔中央強度達到最大值，因而能使活性層部分有良好的發光效率。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,17,模擬元件之共振腔能帶結構圖,上圖由左至右為長晶方向，上方實線為導電帶，下方為價電帶，虛線部分為準費米能階(quasi Fermi level)。導電帶與價電帶的能隙補償差(band offset)的比例為0.5：0.5。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,18,自發輻射速率頻譜圖,圖中顯示除了650 nm的主要波峰外，在634 nm左右還有第二個較小的波峰，這個小波峰是由於導電帶第二量子能階的電子和價電帶第二量子能階的電洞結合所造成的
8、 。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,19,受激放射速率頻譜圖,橫軸為長晶方向，圖中顯示靠近n-type層的最左邊量子井的受激放射速率較低，其原因可能是電洞的有效質量較電子來得大，因此導電帶的電子較易移動至最右邊的量子井，但由右方來的價電帶之電洞較難移動至最左邊的量子井所致。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,20,主要模式對次要模式壓制比及雷射性能(L-I)圖,當輸入電流增加時，主要對次要模式壓制比隨著增加。將圖中的主要對次要模式壓制比曲線對輸入電流微分，其結果如圖中高斯分佈的虛線所示，主要對次要模式壓制比在臨界電流處有最大的增加速率，此一結果與雷射物理上的預期是一致的。,國立彰化師範
9、大學藍光實驗室 陳秀芬,21,雷射光波強度對元件內部位置關係圖,圖中的x軸為元件徑度方向，y軸為長晶軸方向。我們將光波強度畫出十條等位線，其強度的大小由內圈向外圈遞減。由圖中可看出，活性層附近靠近中心的地方是整個雷射元件光波強度最高的地方。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,22,結論,近年短程光纖通信上的新起之秀PMMA-d8塑膠光纖，在波長為650 nm處有一約為12 dB/km的低損失窗，因此若能成功發展出650 nm紅光面射型半導體雷射作為其光源，將使未來高速與短程光纖通信的發展如虎添翼。在本篇研究中，我們模擬出650 nm磷化鋁鎵銦面射型半導體雷射的基本結構，並探討其各項光學性質，包括DBR材料的特性、共振腔能帶結構、自發輻射速率頻譜、受激放射速率頻譜、主要對次要模式壓制比、與雷射光波強度分佈等特性，供長晶人員參考，並將在未來做更進一步的研究。,國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬,23,謝謝大家!,
