PMMA-d8光纤通信用红光面射型半导体雷射的设计与分析.doc

PMMA-d8光纖通信用紅光面射型半導體雷射的設計與分析
屠嫚琳、張志康、謝尚衛、郭艷光*
國立彰化師範大學物理系所暨光電研究所
彰化市50058進德路1號
*Phone：[phone] Ext. 3341, FAX：[phone], E-mail：[e-mail]
劉柏挺
修平技術學院機械工程學系
台中縣412大里市工業路11號
Phone：[phone], FAX：[phone], E-mail：[e-mail]
摘要：塑膠光纖廣泛用在中短程光纖通信已是必然的趨勢，使用面射型半導體雷射來取代傳統的發光二極體做為光源的網路系統亦然。PMMA-d8塑膠光纖有一個極低損失的窗，其穿透損失約為18 dB/km，發光波長在655 nm左右。本文利用PICS3D模擬軟體去設計分析具有AlGaAs/AlAs DBR系統的655 nm紅光面射型半導體雷射，並使用Ga0.44In0.56P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多量子井結構為活性層材料。經比較不同形式的面射型半導體雷射的輸出性能，發現選用current spreading結構的面射型半導體雷射可以有比較低的臨界電流。
NSC project code: NSC-91-2112-M-018-011
1. 前言
面射型半導體雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，簡稱VCSEL) 和側射型半導體雷射(edge-emitting laser，簡稱EEL)最大的不同，在於VCSEL的共振腔方向平行於長晶軸方向，而EEL的共振腔方向則垂直於長晶軸方向。由於VCSEL的發光方向是由正面而非側面，所以雷射所發出的光點比較圓、發散角比較小，經過透鏡聚焦後的光點會比EEL來得小，光的耦合效率較好[1]。並且因為其發光的頻寬比LED窄，克服了電子通信上頻寬的問題，所以被廣泛使用在光纖通信的二維陣列上[2]。就通信方面而言，雖然塑膠光纖的穿透損失比氧化矽(SiO2)光纖多，但塑膠光纖的成本較氧化矽光纖低很多，因此塑膠光纖在中短程光纖通信上極具發展潛力。
本研究以PICS3D模擬程式，來模擬使用在PMMA-d8塑膠光纖、具有AlGaAs/AlAs DBR (distributed Bragg reflector)系統的VCSEL的光學性能，並且比較不同結構形式的VCSEL的輸出性能。圖一為PMMA-d8塑膠光纖的吸收頻譜[3]，由圖中可以看出，在655~700 nm處有一個低損失窗，其穿透損失約為18 dB/km。本文將使用Ga0.44In0.56P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多量子井結構為VCSEL的活性層材料，因為它與GaAs基板有很好的晶格匹配[4]。此活性層材料的發光波長最長為670 nm左右，為了使用量子井結構以降低臨界電流，在本文中雷射輸出波長定為655 nm。

圖一、塑膠光纖PMMA-d8的吸收頻譜圖
2. 結構
首先，考慮圖二所示的VCSEL結構(one column形式)。以GaAs做為基板，以 Al0.5Ga0.5 As /AlAs做為DBR的材料，折射率分別為3.285和2.920，每一層的厚度均為波長的四分之一，其值分別為49.8 nm及56.0 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3.0×1024 m-3，其反射率頻譜圖如圖三所示。另外，此一VCSEL結構以Ga0.44In0.56P與(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P作為井(well)與井障(barrier)的材料，折射率分別為3.650與3.465，其厚度分別為5.0 nm與10.0 nm，量子井的個數為3對。緊鄰活性層的為空間層(spacer)，材料與井障相同，折射率為3.297，摻雜濃度為1.0×1024 m-3。為了使共振腔中駐波強度的最高點在活性層的中央，因此必須調整其厚度，使整個共振腔長恰為一個波長，所以p-spacer與n-spacer的厚度均為69.46 nm。其次，本研究也分析了current spreading的結構，如圖四所示，其組成條件與上述的結構完全相同。
Reflectivity
Wavelength (mm)

圖二、 655 nm紅光面射型半導體雷射的材料結構 圖三、 n-DBR與p-DBR的反射頻譜圖

3. 模擬結果
不同元件半徑之one column形式的VCSEL其輸出功率對電流的關係如圖五所示，元件半徑為5 μm的VCSEL其臨界電流約為3.5 mA；而元件半徑為10 μm的VCSEL其臨界電流約為13.9 mA。在相同的外加電流下，半徑較小的元件其活性層處的單位面積所流過的電流較大，所以電子電洞對的結合率也就會相對的提升，其發光的臨界電流也就相對的較低。因此，元件半徑越小，雷射輸出的臨界電流越小。當然，元件半徑太小可能會有繞射方面的問題，元件性能對溫度也可能較為敏感，在此我們不做這一方面的詳細分析。另一方面，current spreading結構的VCSEL其元件下半部的半徑為5 μm而p-DBR部分的半徑為2.5 μm，與元件半徑為5 μm的 one column結構的VCSEL做比較，其結果如圖六所示。從圖六可以看出current spreading結構的VCSEL其臨界電流又可以降得更低，約為1.6 mA。

圖四、 655 nm紅光面射型半導體雷射的增益導向的結構

圖五、不同的元件半徑所得到的雷射輸出性能圖

圖六、不同結構形式的雷射輸出性能圖
4. 結論
面射型半導體雷射具有光點比較圓、發散角比較小、光的耦合效率比較好、頻寬比LED窄等優點，將來在中短程光纖通信上一定會扮演相當重要的角色。雖然塑膠光纖的穿透損失比氧化矽光纖多，但塑膠光纖的成本較氧化矽光纖低很多，因此塑膠光纖在中短程光纖通信上也是極具發展潛力。從本文中，我們設計一個適用於PMMA-d8塑膠光纖、發光波長在655 nm的紅光面射型半導體雷射，並且使用PICS3D模擬軟體探討此一面射型半導體雷射的光學特性。模擬結果顯示，與傳統的one column結構的面射型半導體雷射相比，current spreading結構的面射型半導體雷射可以有比較低的臨界電流。
5. 參考文獻
[1] K. Tai et al., “90% coupling of top surface emitting GaAs/AlGaAs quantum well laser output into 8 mu diameter core silica fiber,” Elec. Lett., vol. 26, pp. 1638-1629, 1990.
[2] M. Orenstein et al., “Transverse modes and lasing characteristics of selectively grown vertical cavity semiconductor lasers,” Appl. Phys. Lett., vol. 69, pp. 1840-1842, 1996.
[3] A. K. Dutta et al., “Impedance, modulation response and equivalent-circuit of 650 nm surface emitting type light-emitting diode for POF data-links,” Solid-State Electron., vol. 42, pp. 1787-1791, 1998.
[4] G. B. Stringfellow et al., High Brightness Light Emitting Diode:Semiconductors and Semimetals, vol. 48, Academic Press, San Diego, USA, 1997.