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2022-11-14
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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。
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。
屠嫚琳、張志康、謝尚衛、郭艷光* 、劉柏挺
圖四、 655 nm紅光面射型半導體雷射的增益導向的結構
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。
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.
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。
屠嫚琳、張志康、謝尚衛、郭艷光* 、劉柏挺
圖五、不同元件半徑所得到的雷射輸出性能圖
圖五、不同元件半徑所得到的雷射輸出性能圖
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.
另外，此一VCSEL結構以Ga0.
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.
紅光面射型半導體雷射的設計與分析
5P作為井(well)與井障(barrier)的材料，折射率分別為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.
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。
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。
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。
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。
n-type共30對，p-type共20對，摻雜濃度為3.
0×1024 m-3 ，其反射率頻譜圖如圖二所示。
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。
圖四、 655 nm紅光面射型半導體雷射的增益導向的結構
首先，考慮圖三所示的 VCSEL結構(one column形式)。
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。
5 As /AlAs做為DBR的材料，折射率分別為3.
5P作為井(well)與井障(barrier)的材料，折射率分別為3.
5P多量子井結構為活性層材料。
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.
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.
0 nm，量子井的個數為3對。
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。
以GaAs做為基板，以 Al0.
屠嫚琳、張志康、謝尚衛、郭艷光* 、劉柏挺
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。
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。
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。
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.
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* 、劉柏挺
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：04-7232105 Ext. 3341, FAX：04-7211153, 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
Ga
0.44
In
0.56
P/(Al
0.5
Ga
0.5
)
0.5
In
0.5
P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。
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，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
Ga
0.44
In
0.56
P/(Al
0.5
Ga
0.5
)
0.5
In
0.5
P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。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。
結構
首先，考慮圖三所示的 VCSEL結構(one column形式)。以GaAs做為基板
，以 Al
0.5
Ga
0.5
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，p-type共20對，摻雜濃度為3.0×10
24
m
-3
，其反射率
頻譜圖如圖二所示。
圖五、不同元件半徑所得到的
雷射輸出性能圖
圖三、 655 nm紅光面射型半導體
雷射的材料結構
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。
圖一、塑膠光纖PMMA-d8的吸收頻譜圖
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。
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 mm的VCSEL其臨界電流約為3.5 mA；
而元件半徑為10 mm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 mm而p-DBR
部分的半徑為2.5 mm，與元件半徑為5 mm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。
另外，此一VCSEL結構以Ga
0.44
In
0.56
P與(Al
0.5
Ga
0.5
)
0.5
In
0.5
P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1.0×10
24
m
-3
。
圖二、 n-DBR與p-DBR的反射頻譜圖
圖四、 655 nm紅光面射型半導
體雷射的增益導向的結構
圖六、不同結構形式的雷射輸
出性能圖
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