PMMA-d8光纖通信用紅光面射型半導(dǎo)體雷射的設(shè)計(jì)與分析.doc

PMMA-d8光纖通信用紅光面射型半導(dǎo)體雷射的設(shè)計(jì)與分析屠嫚琳、張志康、謝尚衛(wèi)、郭艷光*國(guó)立彰化師範(fàn)大學(xué)物理系所暨光電研究所彰化市50058進(jìn)德路1號(hào)*Phone：04-7232105 Ext. 3341, FAX：04-7211153, E-mail：.tw劉柏挺修平技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)系臺(tái)中縣412大里市工業(yè)路11號(hào)Phone：04-24961193, FAX：04-24961110, E-mail：.tw摘要：塑膠光纖廣泛用在中短程光纖通信已是必然的趨勢(shì)，使用面射型半導(dǎo)體雷射來(lái)取代傳統(tǒng)的發(fā)光二極體做為光源的網(wǎng)路系統(tǒng)亦然。PMMA-d8塑膠光纖有一個(gè)極低損失的窗，其穿透損失約為18 dB/km，發(fā)光波長(zhǎng)在655 nm左右。本文利用PICS3D模擬軟體去設(shè)計(jì)分析具有AlGaAs/AlAs DBR系統(tǒng)的655 nm紅光面射型半導(dǎo)體雷射，並使用Ga0.44In0.56P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P多量子井結(jié)構(gòu)為活性層材料。經(jīng)比較不同形式的面射型半導(dǎo)體雷射的輸出性能，發(fā)現(xiàn)選用current spreading結(jié)構(gòu)的面射型半導(dǎo)體雷射可以有比較低的臨界電流。NSC project code: NSC-91-2112-M-018-0111. 前言面射型半導(dǎo)體雷射(vertical-cavity surface-emitting laser，簡(jiǎn)稱(chēng)VCSEL) 和側(cè)射型半導(dǎo)體雷射(edge-emitting laser，簡(jiǎn)稱(chēng)EEL)最大的不同，在於VCSEL的共振腔方向平行於長(zhǎng)晶軸方向，而EEL的共振腔方向則垂直於長(zhǎng)晶軸方向。由於VCSEL的發(fā)光方向是由正面而非側(cè)面，所以雷射所發(fā)出的光點(diǎn)比較圓、發(fā)散角比較小，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦後的光點(diǎn)會(huì)比EEL來(lái)得小，光的耦合效率較好1。並且因?yàn)槠浒l(fā)光的頻寬比LED窄，克服了電子通信上頻寬的問(wèn)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(fā)展?jié)摿Α?本研究以PICS3D模擬程式，來(lái)模擬使用在PMMA-d8塑膠光纖、具有AlGaAs/AlAs DBR (distributed Bragg reflector)系統(tǒng)的VCSEL的光學(xué)性能，並且比較不同結(jié)構(gòu)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655700 nm處有一個(gè)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(jié)構(gòu)為VCSEL的活性層材料，因?yàn)樗cGaAs基板有很好的晶格匹配4。此活性層材料的發(fā)光波長(zhǎng)最長(zhǎng)為670 nm左右，為了使用量子井結(jié)構(gòu)以降低臨界電流，在本文中雷射輸出波長(zhǎng)定為655 nm。圖一、塑膠光纖PMMA-d8的吸收頻譜圖2. 結(jié)構(gòu)首先，考慮圖二所示的VCSEL結(jié)構(gòu)(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(zhǎng)的四分之一，其值分別為49.8 nm及56.0 nm； n-type共30對(duì)，摻雜濃度為2.01024 m-3，p-type共20對(duì)，摻雜濃度為3.01024 m-3，其反射率頻譜圖如圖三所示。另外，此一VCSEL結(jié)構(gòu)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(gè)數(shù)為3對(duì)。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1.01024 m-3。為了使共振腔中駐波強(qiáng)度的最高點(diǎn)在活性層的中央，因此必須調(diào)整其厚度，使整個(gè)共振腔長(zhǎng)恰為一個(gè)波長(zhǎng)，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(jié)構(gòu)，如圖四所示，其組成條件與上述的結(jié)構(gòu)完全相同。ReflectivityWavelength (mm) 圖二、 655 nm紅光面射型半導(dǎo)體雷射的材料結(jié)構(gòu) 圖三、 n-DBR與p-DBR的反射頻譜圖3. 模擬結(jié)果不同元件半徑之one column形式的VCSEL其輸出功率對(duì)電流的關(guān)係如圖五所示，元件半徑為5 m的VCSEL其臨界電流約為3.5 mA；而元件半徑為10 m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(guò)的電流較大，所以電子電洞對(duì)的結(jié)合率也就會(huì)相對(duì)的提升，其發(fā)光的臨界電流也就相對(duì)的較低。因此，元件半徑越小，雷射輸出的臨界電流越小。當(dāng)然，元件半徑太小可能會(huì)有繞射方面的問(wèn)題，元件性能對(duì)溫度也可能較為敏感，在此我們不做這一方面的詳細(xì)分析。另一方面，current spreading結(jié)構(gòu)的VCSEL其元件下半部的半徑為5 m而p-DBR部分的半徑為2.5 m，與元件半徑為5 m的 one column結(jié)構(gòu)的VCSEL做比較，其結(jié)果如圖六所示。從圖六可以看出current spreading結(jié)構(gòu)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(dǎo)體雷射的增益導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式的雷射輸出性能圖4. 結(jié)論面射型半導(dǎo)體雷射具有光點(diǎn)比較圓、發(fā)散角比較小、光的耦合效率比較好、頻寬比LED窄等優(yōu)點(diǎn)，將來(lái)在中短程光纖通信上一定會(huì)扮演相當(dāng)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(fā)展?jié)摿Α谋疚闹?，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)適用於PMMA-d8塑膠光纖、發(fā)光波長(zhǎng)在655 nm的紅光面射型半導(dǎo)體雷射，並且使用PICS3D模擬軟體探討此一面射型半導(dǎo)體雷射的光學(xué)特性。模擬結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的one column結(jié)構(gòu)的面射型半導(dǎo)體雷射相比，current spreading結(jié)構(gòu)的面射型半導(dǎo)體雷射可以有比較低的臨界電流。5. 參考文獻(xiàn)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,