High-power and Stable Single-mode Vertical-cavity Surface-emitting Laser

面射型雷射自80年代開始研究之後，直至目前應用方面已逐漸成為光纖通訊的重要光源，因為其低臨界電流、圓形光束、製程方便等等。而對於高功率方面的研究一直是各研究單位努力的方向之一，要達到單一模態且高功率的效果是種挑戰。 而本論文研究主要探討如何製作出穩定的單一模態面射型雷射，主要朝著氧化侷限的製程研究，本文另利用離子佈植方式來做比較，比較特別的製程為利用鋅擴散製作光的吸收層，藉此抑制多模態的發生。而另一項優點是可以降低面射型雷射P型布拉格反射鏡(p-type Distributed Bragg Reflector)的串聯電阻，繼而延長面射型雷射的生命期。基於此我們已成功研發出輸出功率為7.6mW之高功率面射型雷射，其臨界電流也可降至1.4mA，操作電阻更降為80Ω左右，SMSR更有35dB至40dB的表現，甚至自臨界電流到超過飽和電流，皆呈現非常穩定的單一基本模態的情況。種種表現更顯出以鋅擴散配合氧化製程所製作出的面射型雷射元件優於其他各種製程所製作出來的元件。NA目錄： 誌謝 i 摘要 ii 目錄 iii 圖表目錄 vi 第一章 序論 1 1.1 簡介 1 1.2 VCSEL的磊晶結構 4 1.3 典型VCSEL之介紹 6 (1) 離子佈植方式之VCSEL元件 6 （2） 氧化物侷限之VCSEL元件 7 1.4 單模850nmVCSEL 8 第二章 理論 9 2.1 鋅擴散於DBR 9 2.2 VCSEL的選擇性水氧化理論 13 2.3 離子佈植理論 15 2.4 發散角 18 第三章 實驗 20 3.1 擴散併合氧化VCSEL之製程實驗 20 3.1.1 鋅擴散製程 20 3.1.2 水氣氧化 24 3.1.3 製作p-type和n-type電極 28 3.2 鋅擴散併合氫離子佈植之VCSEL製程 32 3.2.1鋅擴散製程 32 3.2.2氫離子佈植製程 32 3.2.3 製作電極 33 3.3 量測系統 36 3.3.1.電流對電壓(I-V)的量測 36 3.3.2. 輸出光功率對電流(L-I)之量測 36 3.3. 3. 發散角(Divergence Angle)之量測系統 37 3.3.4.近場投影 37 3.3.5.頻譜(Spectrum) 之量測 38 3.4 實驗設備 39 3.4.1鋅擴散 39 3.4.2水氧化 40 第四章、結果與討論 41 4.1 鋅擴散併合氧化型VCSEL之特性 41 4.1.1 氧化型電流電壓I-V曲線 41 4.1.2 氧化型功率對電流L-I曲線 42 4.1.3 氧化型二維(2-D)遠場模態 44 4.1.4 氧化型VCSEL發散 45 4.1.5 氧化型頻譜圖 46 4.2鋅擴散併合離子佈植型VCSEL之特性 48 4.2.1 離子佈植型電流電壓I-V曲線 48 4.2.2 離子佈植型VCSEL功率對電流L-I曲線 48 4.2.3 離子佈植型二維(2-D)遠場模態 50 4.2.4 發散角分布 51 第五章 結論 53 5.1 氧化型與離子佈植型VCSEL比較 53 5.2 與時下期刊比較 54 5.3 改進與期許 55 5.4 未來工作 56 參考資料 5