垂直腔面發射雷射器

**發射器**（**Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser**，簡稱 **VCSEL**，又譯**垂直共振腔面射型雷射**）是一種半導體，其雷射垂直於頂面射出，與一般用切開的獨立晶元製程，雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同。

在製作的過程中，VCSEL 比邊射型雷射多了許多優點。邊射型雷射需要在製作完成後才可進行測試。若一個邊射型雷射無法運作，不論是因為接觸不良或者是物質成長的品質不好，都會浪費製作過程與物質加工的處理時間。然而 VCSEL 可以在製造的任何過程中，測試其品質並且作問題處理，因為 VCSEL 的雷射是垂直於反應區射出，與邊射型雷射平行於反應區射出相反，所以可以同時有數萬個 VCSEL 在砷鎵晶元上被處理。此外，既使 VCSEL 在製造的過程需要較多的勞動與較精細的材料，生產結果是可被控制的及更多可被預期的。

## 結構

一個雷射諧振器是由兩面分散式布拉格反射器 (DBR) 平行於一個晶元主動反應區表面，此反應區是由一到數個量子井所構成，使雷射光帶存在於其中。一個平面的 DBR 是由幾層不同高低折射率的透鏡所組成。每層透鏡的厚度為四分之一的雷射波長，並給予超過 99% 的反射強度。為了平衡在 VCSEL 中增益區域的短軸長，高反射率的透鏡是必要的。

在一般的 VCSEL 中，較高和較低的兩個透鏡分別鍍上了 p 型材料和 n 型材料，形成一個接面二極體。在較為複雜的結構中，p 型和 n 型區域可能會埋在透鏡中，使較複雜的半導體在反應區上加工做電路的連接，並除去在 DBR 結構中電子能量的耗損。

VCSEL 的實驗室使用新的材料系統做研究，反應區可能會因短波長的外光源（通常是其他雷射）而被幫浦。這使得 VCSEL 可以在不考慮達到良好的電路品質的額外問題下被論證；然而這樣的裝置對大多數的應用不是實際的。

波長從 650nm 到 1300nm 的典型 VCSEL 是以砷化鎵（GaAs）和鋁鎵砷化物（AlxGa(1-x)As）構成的 DBR 所組成的鎵砷晶元為基底。GaAs/AlGaAs 系統由於材料的晶格常數在組成有變動時，不會有非常強烈的改變，且允許多個_晶格配對_復生層成長於砷化鎵的底層，所以非常適合用來製造 VCSEL。然而，當 Al 分子增加時，鋁鎵砷化物的折射率就會變強，與其他系統比較起來，要組成一個有效的布拉格鏡，所用的層數就會達到最少。

此外，在鋁較集中的部份，一種氧化物會形成 AlGaAs，而這種氧化物可以被用來限制 VCSEL 中的電流，達到低閘值電流的目的。

近來有兩種主要的方法來限制 VCSEL 中的電流，依照其特性分成兩種：離子內嵌 VCSEL 和氧化型 VCSEL。

在 90 年代前期，電子通訊公司較傾向於使用離子內嵌 VCSEL。通常使用氫離子 H + 植入 VCSEL 結構中，除了共振腔以外的任何地方，用以破壞共振腔周圍的晶格結構，使電流被限制。90 年代中期，這些公司們紛紛進而使用氧化型 VCSEL 的技術。氧化型 VCSEL 是利用 VCSEL 共振腔周圍材料的氧化反應來限制電流，而在 VCSEL 結構內部含鋁較多的金屬層會被氧化。氧化型雷射也常使用離子內嵌的技術。因此在氧化型 VCSEL 中，電流的路徑就會被離子內嵌共振腔與氧化共振腔所限制。

由於氧化層的張力與其他的缺陷，始得共振腔出現「popping off」，因此最初使用氧化型 VCSEL 時遭遇到了許多困難。然而，經過了多次的測試，證明了 VCSEL 的 realibilty 是很完整的。在 Hewlett Packard 的氧化型 VCSEL 研究中指出，「壓力會造成氧化型 VCSEL 的活化能與 wearout 生命週期相似於內嵌式 VCSEL 所發出的輸出能量大小。」 [1]

當工業界要從研究和開發轉至氧化型 VCSEL 的生產模式時，也產生了生產上的困難。氧化層的氧化率與鋁的含量有非常大的關係。只要鋁的含量有些微的變化，就會改變其氧化率而導致共振腔的規格會過大或過小於標準規格。

波長從 1300nm 至 2000nm 的長波長裝置，至少已經證實其活化區是由磷化銦所構成。有更長波長的 VCSEL 是有實驗根據的且通常為光學幫浦。1310nm 的 VCSEL 在矽基光纖的最小波長限度中是較為理想的。

### 特殊型態

* 多重反應區域設計（aka bipolar cascade VCSELs）。允許回饋時不同效能量值之間的差異超過 100%。
* 通道相接 VCSEL：利用通道相接（_n_+_p_+），一個對電子有利的 _n-n_+_p_+-_p-i-n_ 結構就可以被建立，且可以影響其他結構的分子。（e.g. in the form of a _Buried Tunnel Junction_ (BTJ)）.
* 可利用機械式（MEMS）調整鏡面來廣泛的調整 VCSEL。
* "晶元接合" 或 "晶元融合"VCSEL：利用兩種不同的半導體材料可以製造出不同性質的底層。
* Monolithically 光學幫浦 VCSEL：兩個相疊合的 VCSEL，其中一個利用光學來對另一個作幫浦。
* 縱向的 VCSEL 整合監測二極體：一個光二極體與 VCSEL 的背面鏡子做整合。
* 橫向的 VCSEL 整合監測二極體：利用適當的 VCSEL 晶元石刻法，一個發光二極體就可以被製造用來測量鄰近 VCSEL 的發光強度。
* 具有外部共振腔的 VCSEL，參照 VECSEL 或是盤雷射半導體 disk laser。VECSEL 是傳統雷射二極體的光學幫浦。這樣的設置使裝置有更廣泛的區域可被幫浦，也因此有更多的能量可被吸收，大約 30W 左右。外部共振腔也允許了 intracavity 技術，如頻率倍增、單頻操作和 femtosecond pulse modelocking。
* 垂直共振腔半導體光學擴大器 VCSOA（[2]（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館））。與震盪器不同，這個裝置使擴大器更優化。因為 VOSOA 必須在限制下工作，故會要求減少鏡子的反射以達到減少回饋的作用。為了使訊號增至最大，這些裝置會包含大量的量子井（光學幫浦裝置已被證實有 21-28 個量子井），導致訊號的增加量值比典型的 VCSEL 來的大（約 5% 左右）。這裝置的運作於窄線寬的擴大器（約十幾個 GHz），且可能可以有增強濾光器的效果。

## 特性

因為 VCSEL 是從積體電路的頂面發出雷射光，所以它們被分割成單獨的個體以前，可以直接在晶元上測試。這可以節省半導體製作過程中裝置的花費及使用。這也允許 VCSEL 的製作不再只是一維，而可以是二維的_排列_。

較大的 VCSEL 輸出孔徑，與大多數邊射型雷射比較，產生輸出光束的一個較低的發散角，並且使光纖的連線效率更高。

與大多數的邊射型雷射比較，一個高反射率的鏡子減少了 VCSEL 的閘值電流，造成低功率的消耗。然而至今，VCSEL 所發射的能量較邊射型雷射少。較低的閘值電流也允許 VCSEL 存有高本質的調整帶寬。

VCSEL 的波長在反應區的獲得帶中，可以藉由調節反射層的厚度而改變。

## 應用

* 光纖的資料傳輸
* 類比寬頻訊號傳輸
* 吸收光譜學（TDLAS）
* 雷射印表機
* 電腦滑鼠

## 歷史

第一個 VCSEL 是在 1979 年由 Soda, Iga, Kitahara and Suematsu （Soda 1979）所發表，但是直到 1988 年以前，室溫下的等幅波控制未曾被報告。VCSEL 這名詞是在 1987 年時，被杜撰於美國光學協會（Optical Society of America）出版物上。如今 VCSEL 以取代邊射型雷射而應用在短程的光纖通訊上，如乙太網路和纖維通道（Fibre Channel）。

## 參考文獻

* Iga, Kenichi, Surface-emitting laser—Its birth and generation of new optoelectronics field, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics **6** (6), 2000, **6** (6): 1201–1215
* Soda, Haruhisa; et al, GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers, Japanese Journal of Applied Physics **18** (12), 1979, **18** (12): 2329–2330  引文格式 1 維護：顯式使用等標籤 (link). doi:10.1143/JJAP.18.2329
* Koyama, Fumio; et al, Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser, Trans. IEICE, E71(11), 1988: 1089-1090  引文格式 1 維護：顯式使用等標籤 (link)

## 外部連結

* Long Wavelength Surface Emitting Lasers: Introduction
* Britney's Guide to Semiconductor Physics: VCSELs（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）