九十二學年度第二學期Study Meeting報告 Design and analysis of red VCSEL for short-distance optical fiber communication 報告者：陳秀芬 指導教授：郭艷光 老師 日期：2003/3/28
目 錄 摘要 前言 面射型雷射元件之設計與分析 結論 光纖通信與光源 塑膠光纖及其適用光源 初始結構設計 DBR材料及對數之探討 各項特性 目 錄 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 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
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650 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
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
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-emitting 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100~150 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0.1~3 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3~100 mW)，以及狹窄的發光頻寬(<10 nm)，因此傳輸速率比發光二極體快許多。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
前言(3)---面射型雷射的優勢 共振腔方向平行於長晶軸方向： 光點較圓，發散角較小，易與光纖耦合 封裝方式和傳統使用發光二極體作為光源的網路系統完全相容： 原有的整個裝配線都無須再作更改，但是傳輸速率與距離卻可以大幅提升 可應用在製作二維通信陣列上，尤其適合用於板對板(board to board)的網路傳輸或二維光纖束的傳輸端。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
在製程上，無需進行鍍膜或劈裂後才可以做元件量測 ： 可以節省下可觀的製造及量測時間 VCSEL晶圓不像一般的半導體二極體薄膜那樣薄和易脆 ： 在清洗的過程中很容易處理而大大地降低生產費用 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
前言(4)---塑膠光纖及其適用光源 以往在光纖通信上，用的材料多為石英光纖(silica fiber)，其損失窗在波長1.3μm及1.55μm 。 近年來在短程光纖通信方面逐漸被塑膠光纖(plastic optical fiber，簡稱POF)所取代，原因： 塑膠光纖的成本較石英光纖低很多，容易達成光纖到家(fiber to the home，簡稱FTTH)的目標 塑膠光纖富有彈性，中心核線的半徑大，所以容易接合及操作，而且光也比較容易輸入 塑膠光纖廣泛地被使用在短程的光纖通信上，如辦公室、研究機關、大樓或社區等。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
前言(4)---PMMA-d8與650 nmVCSEL PMMA-d8 (polymethylmethacrylate-d8)為核心的塑膠光纖，在波長650 nm左右有一最低損失窗，其穿透損失(transmission loss)約為12 dB/km。 PMMA於570 nm的損失---55 dB/km PMMA-d5於565 nm的損失---41 dB/km 因此我們選擇適用於PMMA-d8塑膠光纖的650 nm紅光面射型雷射來做分析與探討。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
塑膠光纖PMMA與PMMA-d8的 吸收頻譜圖 After T. Kaino 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
面射型雷射元件之設計與分析 大部份的磷化鋁鎵銦(AlxGayInzP，x+y+z=1)半導體元件，當選擇GaAs做為基板(substrate)的時候，In原子的比例通常會定在0.5左右(z0.5)，以便使得磷化鋁鎵銦的磊晶薄膜可以和GaAs基板擁有相同的晶格常數(lattice constant)。 =>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650~660 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)0.5In0.5P 。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
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
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(λ/4)，其值分別為49.5 nm及45.4 nm。 n-type共30對，摻雜濃度為2.0×1024 m-3，p-type共20對，摻雜濃度為2.0×1024 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％的要求。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
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
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
量子井位置與光子駐波的疊合圖 在模擬結構中，我們將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
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
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 。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
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
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。 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬
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
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
謝謝大家!! 國立彰化師範大學藍光實驗室 陳秀芬