VCSEL 技术原理与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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垂直共振腔面射型雷射的发展与量产将近40年，在光通讯与光资讯领域已经成为不可或缺的主动光源最佳解决方案，并在近10年陆续应用在各式各样的感测器相关用途，因此相关产业也开始进入高速成长期。

　　本书主要针对大专院校及研究所具备物理、电子电机、材料、半导体与光电科技相关背景的学生以及相关产业研发人员，提供一个进阶课程所需的参考书。全书共分为七章，第一章将介绍面射型雷射发展历程，第二章主要说明半导体雷射操作原理接续第三章针对面射型雷射结构设计考量与第四章动态操作等特性分析，第五章介绍目前最广泛应用的砷化镓系列材料面射型雷射制程技术，第六章探讨长波长面射型雷射制作技术以及在光通讯、光资讯以及感测技术上的应用，第七章介绍採用氮化镓系列材料制作短波长面射型雷射之最新进展以及相关应用及发展趋势。

　　台湾在面射型雷射技术研发已经形成涵盖上中下游的磊晶成长、晶粒制程与封装模组的完整产业链，希望读者能借由本书了解相关产业发展概况并激发深入研究的动机与兴趣。
 

作者简介

卢廷昌

　　国立交通大学光电系特聘教授兼系主任

尤信介

　　国立交通大学照明与能源光电研究所助理教授
 

第一章　垂直共振腔面射型雷射的发展
1.1　雷射发展历史
1.2　面射型雷射发展历程
1.3　面射型雷射之优点
1.4　面射型雷射初期研发进展
1.5　可见光面射型雷射
1.6　长波长面射型雷射
1.7　多波长与可调波长面射型雷射
1.8　短波长面射型雷射
参考资料

第二章　半导体雷射基本操作原理与结构
2.1　双异质接面
2.2　半导体光增益与放大特性
2.3　半导体雷射震盪条件
2.3.1　振幅条件　
2.3.2　相位条件　
2.4　速率方程式与雷射输出特性
本章习题
参考资料

第三章　VCSEL基本操作原理
3.1　VCSEL与EEL的比较
3.2　布拉格反射镜
3.2.1　传递矩阵　
3.2.2　穿透深度　
3.2.3　布拉格反射镜结构设计　
3.3　垂直共振腔面射型雷射之特性
3.4　温度效应
3.5　微共振腔效应
3.6　载子与光学侷限结构
本章习题
参考资料

第四章　高速VCSEL操作动态特性
4.1　小信号响应
4.1.1　弛豫频率与截止频率　
4.1.2　非线性增益饱和效应　
4.1.3　高速雷射调制之设计　
4.1.4　小信号速率方程式之暂态解　
4.2　大信号响应
4.2.1　导通延迟时间　
4.2.2　大信号调制之数值解　
4.3　线宽增强因子与啁啾
4.3.1　频率啁啾与频率调制　
4.3.2　半导体雷射之发光线宽
4.4　相对强度杂讯
本章习题
参考资料

第五章　GaAs-based VCSEL制作技术
5.1　电流侷限方法
5.1.1　增益波导　
5.1.2　折射率波导　
5.1.3　离子佈植法　
5.1.4　氧化侷限法　
5.2　面射型雷射制程技术
5.2.1　蚀刻　
5.2.2　选择性氧化　
5.2.3　金属电极制作　
本章习题
参考资料

第六章　红外光VCSEL技术与应用
6.1　红外光VCSEL元件
6.1.1　InP异质接面／量子井面射型雷射　
6.1.2　InGaAs量子井面射型雷射　
6.1.3　InGaAsN量子井面射型雷射　
6.1.4　InAs量子点面射型雷射　
6.2　红外光VCSEL应用
6.2.1　光通讯应用与高频操作　
6.2.2　光资讯应用与单模操作　
6.2.3　感测器应用　
本章习题
参考资料

第七章　蓝紫光VCSEL技术与应用
7.1　蓝紫光VCSEL用之反射镜
7.2　光激发式蓝紫光VCSEL
7.3　电激发式蓝紫光VCSEL
7.4　蓝紫光VCSEL的近期发展
7.4.1　混合式氮化镓VCSEL　
7.4.2　介电质氮化镓VCSEL　
参考资料

序

　　自从日本东京工业大学伊贺健一教授在1979年首次成功制作出垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs)以来，这个全新结构且具备众多优异操作特性的雷射元件迅速成为各大光电产业及研究机构竞相投入开发的新兴领域。面射型雷射也在1990年代中期成功商品化，早期主要应用于短距离光纤通讯收发模组主动光源，也成为推动90年代末期进入网路资讯化社会的主要原动力之一。由于发展过于迅速而且电子商务刚处于萌芽阶段，对频宽需求较大的数位内容相关产业尚未建立，入口网站获利模式也还不够明确，因此在21世纪初出现网路泡沫化危机，对宽频网路的需求一度停滞并且有许多已经佈建完成的光纤网路也处于闲置状态未曾被启用，连带影响光收发模组需求导致许多原先从事面射型雷射研发生产制造的厂商相继终止投资，并面临部门裁撤甚至被购併的危机。此时开始有厂商将面射型雷射应用于感测器相关用途，开启另一项潜在市场规模更大的应用。

　　在2007年起由于智慧型手机开始逐渐普及，社群网站与数位内容影音串流等对高速网路频宽需求迫切的应用陆续浮现，同时各国网路服务供应商也积极佈建光纤到府等最后一哩(last mile)网路接取基础建设，因此光通讯模组市场再度活络，且需求较网路泡沫化之前的高峰期还要可观，不仅是网路服务需求，数据中心与数位装置高速传输介面也逐渐需要仰赖面射型雷射作为具成本效益且低功耗、高性能的传输模组主动光源。虽然在2014年就开始有智慧型手机装设面射型雷射作为相机对焦辅助光源，但是在2017年全球智慧型手机获利龙头厂商首次在旗舰机款搭载具备多颗面射型雷射主动光源的3D景深辨识系统，瞬间将面射型雷射的市场需求推升到前所未有的高度，随着主要手机制造商的跟进，目前面射型雷射在感测器相关用途的需求已经超越光通讯模组，并且随着第5代行动通讯(5G)网路的佈建，人工智慧与物联网AIoT、自驾车技术以及扩增/虚拟实境AR/VR的蓬勃发展，对VCSELs的需求总数还有可能持续攀升。

　　台湾学术研究单位与光电产业很早就投入面射型雷射技术研发，在过去20几年来已经累积相当丰硕的研究成果与量产经验。目前在面射型雷射领域已经建立完整的上游磊晶成长、中游晶粒制造以及下游封装模组的产业链，所欠缺的部分环节在于最上游的研发人才培育以及最后段的产品出海口系统应用端，这也是附加价值最大的一环，因此为了提升面射型雷射产业整体竞争力，有必要吸引更多优秀人才投入先进技术研究以及产品应用开发。本书主要目的即在于提供光电相关领域研发人员，以及具备基础知识的学生及产业分析、产品设计人员一个深入了解面射型雷射技术发展的管道，希望有助于提升并强化相关产业的竞争力。

　　本书主要针对大专院校及研究所具备物理、电子电机、材料、半导体与光电科技相关背景的学生以及相关产业研发人员，提供一个进阶课程所需的参考书籍，同时部分章节中附以范例与章节习题，除了可以帮助读者在研读时易于了解章节的重点外，亦可当作教授大四及研究所以上的教科书使用。全书共分为七章，第一章介绍面射型雷射发展历程，第二章简要说明半导体雷射的基本操作原理，以最早被发明的边射型雷射(edge emitting laser, EEL)为基础，先介绍p-n双异质接面的操作特性；接着再介绍半导体雷射主动层中电光转换的部份，也就是增益介质将光放大的特性，之后则讨论雷射振盪的条件以及介绍半导体雷射的速率方程式，引入载子生命期、光子生命期、自发性辐射因子等参数，列出载子密度与光子密度的速率方程式来推导半导体雷射的阈值条件与输出特性。第三章针对面射型雷射结构设计考量，主要于介绍垂直共振腔面射型雷射的原理、设计、结构与发展现况，其中包含面射型雷射中重要的高反射率反射镜DBR(distributed Bragg reflector)的设计与适当的材料选择，此外对于垂直共振腔面射型雷射的设计概念、操作特性与温度效应做详细的说明，并介绍光学微共振腔的效应。第四章中，我们将运用载子浓度与光子密度的速率方程式，来了解雷射操作特性随时间变化的动态行为。依受到外部调制的大小区分为大信号与小信号分析；在小信号分析里，我们可以获取半导体雷射的各种输出特性的变化量对应于输入参数的变化量，我们将介绍半导体雷射系统因为载子浓度与光子密度的速率方程式互相耦合所产生的共振现象，并推导其在共振时的振盪频率即弛豫频率以及其所对应的截止频率或调制响应的频宽，接着再介绍当半导体雷射操作在大电流或是高雷射输出功率时所产生的非线性增益饱和的现象，以及其对半导体雷射的弛豫频率与调制响应频宽的影响，然后再讨论载子浓度与光子密度在小信号近似下随时间变化的暂态解。在大信号分析的介绍中，会先讨论半导体雷射在瞬间输入电流导通时产生延迟输出的原因以及眼图的概念。而在大信号分析的介绍中，会衍伸出所谓的雷射输出信号啁啾的现象，为了说明这个现象我们将介绍所谓的线宽增强因子在半导体雷射中产生的原因与影响，接着就会推导出半导体雷射光在频谱量测中得到的发光线宽，以了解线宽增强因子在半导体雷射中所扮演的重要角色。最后，将介绍相对强度杂讯的起源与影响，以及和半导体雷射中弛豫振盪的关系。第五章着重于目前最广泛应用的砷化镓系列材料面射型雷射制程技术，特别是选择性氧化面射型雷射制程技术介绍；第六章探讨长波长面射型雷射制作技术以及在光通讯、光资讯以及感测技术上的应用；最后第七章主要介绍短波长的蓝绿光、紫光和紫外光氮化镓面射型雷射发展。宽能隙蓝光氮化镓材料及其相关的光电元件发展在最近十年内一直是热门的研究议题，由于氮化镓材料并无晶格匹配的基板，因此在磊晶成长高品质氮化镓薄膜始终面临了高缺陷密度的问题，加上高浓度的p型氮化镓制作不易，使得氮化镓相关的光电元件发展相较于一般三五族材料缓慢许多。现今氮化镓蓝光边射型雷射已发展相当成熟，并且已有商品化的出现，然而相较于蓝光边射型雷射而言，蓝光VCSEL的发展却非常缓慢，其中重要的关键在于缺少晶格匹配的基板与高反射率的氮化镓DBR反射镜制作困难，我们将在本章介绍蓝紫光VCSEL的技术发展。

　　本书的部分内容源自作者之一卢廷昌由五南图书于2008年出版的《半导体雷射导论》以及2010年出版的《半导体雷射技术》。之后，五南图书编辑部常与我联系，希望我能就其他种类的雷射编写教科书或专业文献，只是碍于繁重的教学与研究工作，一直无法答应，直到这两年VCSEL的元件需求迅速攀高，加上作者之一的尤信介欣然同意加入撰写此书的行列，才能应五南图书王正华主编的邀请将编撰本书的具体行动付诸实现。

　　我们想感谢交通大学光电系和光电学院提供良好的环境，让作者得以在不受打扰的氛围中埋首写作！本书的完成经历了许多人的参与协助，特别感谢五南图书的编辑部门能迅速将我们的初稿编辑成册。作者之一卢廷昌要感谢指导教授交大光电系的王兴宗老师带领进入半导体雷射的领域，并持续鼓励与支持其研究工作，同时也要感谢交大光电系的同仁们的支持与协助，而博士班的学生祖齐、振庭在蓝光面射型雷射、高速操作分析等内容的提供，为本书增添不少可读性。作者之一的尤信介要感谢在工研院光电所实习期间参与经济部科专计画与国合计画VCSEL技术研发团队的指导与协助，包含郭浩中教授、张庆安博士、宋嘉斌博士、杨泓斌博士、祁锦云博士、林国瑞博士、邱舒伟博士、王智祥博士、吴易座博士、江文章博士、黄俊元博士、赖芳仪博士、张亚衔博士、李晋东博士、陈奕良博士以及俄罗斯科学院Ioffe Institute Dr. A. R. Kovsh, Dr. N. A. Maleev, Dr. S. S. Mikhrin, Dr. D. A. Livshits, Prof. M. Kokorev等，以及成功大学苏炎坤教授、许渭州教授与张守进教授和在美国进行科技部补助博士后研究计画期间UCLA电机系王康隆院士与史丹佛大学电机系Prof. J. S. Harris及实验室团队成员的诸多协助。

　　最后，作者卢廷昌要深深感谢在教学、研究还要写书的过程中不断给我鼓励和支持的妻子咏梅。
 

1.1　雷射发展历史
 
LASER是「light amplification by stimulated emission of radiation」的缩写，台湾音译为雷射，中国大陆意译为激光，意指光在受激发放大情况下所产生的同调光源。在1964年诺贝尔物理奖颁发给公认雷射理论奠基者包含Charles Townes，Nikolay Basov与Alexander Prokhorov三人之前，不同种类的雷射以及相关专利已经陆续被实际制作出来，包括1960年在休斯实验室（Hughes Research Laboratories）任职的梅曼（Theodore Maiman）[1]利用闪光灯脉冲光源激发红宝石晶体产生有史以来第一道人造的同调光源，发光波长为694.3nm，同一年任职于美国电话电报公司（AT&T）贝尔实验室（Bell Lab.）的Ali Javan，William Bennett和Donald Herriott成功制作了第一台利用氦气和氖气作为增益介质的气体雷射（HeNe laser）[2]，这也是第一个连续波（continuous wave, CW）操作的雷射光源，发光波长为1153nm[3]，半年后另一团队所制作的氦氖雷射发光波长632.8nm成为稍后较为普遍被採用的红光雷射光源[4]。
 
Ali Javan与Nikolay Basov提出利用半导体材料制作雷射二极体的构想，但是稍早在1956年的时候日本东北大学的西泽润一教授已经提出雷射二极体的专利申请，甚至比1958年Gordon Gould提出LASER名词缩写的时间都还要更早。在1962年Robert N. Hall首次利用砷化镓（GaAs）材料同质接面（homojunction）结构制作出第一个雷射二极体[5]，发光波长为842nm，可以在77K液态氮温度下脉冲操作（pulse operation），同年Nick Holonyak Jr.教授在任职于通用电气公司（General Electric Co.）时率先採用磷砷化镓（GaAsP）制作出第一个可见光波段的红光半导体雷射二极体[6]并发明了第一个红光发光二极体（light emitting diodes, LED），在1962年底前GE已经开始贩售Robert N. Hall开发的砷化镓雷射二极体和Nick Holonyak Jr.教授开发的磷砷化镓雷射二极体与发光二极体，其中红光LED一颗售价260美元，砷化镓红外光雷射二极体售价1300美元，磷砷化镓红光雷射二极体售价2600美元，同时期德州仪器公司（Texas Instruments, TI）贩售的砷化镓红外光发光二极体售价为130美元[7]。

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這本《VCSEL 技術原理與應用》光聽書名就覺得內容很紮實，尤其是在「應用」這兩個字上，我抱持著很大的期待。我目前在一家做消費性電子產品的公司工作，最近公司也在評估導入3D 感測技術，其中VCSEL 扮演的角色非常吃重。我希望書中能針對不同的3D 感測原理（例如ToF、結構光）做介紹，並深入分析VCSEL 在其中擔任的關鍵功能，像是發射特定波長和角度的紅外光，以及如何與感測器配合，最終建構出精確的深度資訊。 我還希望書中能提供一些關於VCSEL 在通訊領域的最新發展，例如在資料中心、5G 傳輸中的應用。畢竟，通訊產業一直是VCSEL 的主要市場之一，了解最新的傳輸速率、模組化設計、還有相容性問題，對我來說非常重要。如果書中有討論到未來的光互連技術，例如矽光子整合，那更是能讓我對這個領域有更宏觀的認識。希望能有實例，像是特定廠商的產品案例，或是技術演進的路線圖，讓我能更好地掌握產業動態。

评分☆☆☆☆☆

這本《VCSEL 技術原理與應用》聽起來就充滿了科學嚴謹性。我本身是個對物理學和半導體製程很感興趣的學生，一直想找一本能夠深入探討VCSEL 物理機制的好書。我特別期待書中能解釋VCSEL 的共振腔設計，像是DBR （Distributed Bragg Reflector）反射鏡的原理，以及它如何影響腔體的損耗和雷射的閾值電流。還有，對於VCSEL 的量子力學特性，像是能帶結構、載子注入、光子發射過程，我希望書中能提供清晰的數學模型和圖示，讓我能真正理解其工作的根本。 我也對VCSEL 的光學特性很感興趣，像是腔內電磁場的分布、模態的產生、還有光束的發散角和橢圓度。書中會不會提供一些計算光學參數的方法，或者是一些數值模擬的範例？另外，對於VCSEL 的電學特性，像是I-V曲線、輸出功率-電流曲線、還有電容效應，我也希望有詳細的解析，以及這些參數如何受到結構和製程的影響。如果書中能引導讀者思考如何優化這些參數以達到特定的性能指標，那將會非常有啟發性。

评分☆☆☆☆☆

這本《VCSEL 技術原理與應用》的書名讓我想起以前唸書時，課堂上老師偶爾會提到的雷射二極體，但VCSEL 這種垂直腔面發射雷射，感覺更為先進和精巧。我特別好奇書中會怎麼講解它的結構差異，畢竟它跟一般的邊射雷射在光路設計上就截然不同，這種垂直出光的特性，聽起來就很有應用上的優勢。不知道書裡會不會有詳細的剖面圖，並解釋不同層次的材料（像是半導體材料、反射鏡層）各自扮演什麼角色，以及它們的製程又是如何影響最終的效能。 我還希望書中能針對不同的VCSEL 類型做深入探討，例如單模VCSEL 和多模VCSEL 的區別，以及在不同應用中各有什麼適合的場合。還有，關於VCSEL 的動態特性，像是響應時間、調變頻寬、還有輸出功率的穩定性，這些都會直接影響到它的實際表現，我希望能有詳盡的說明，甚至是一些實際的量測數據和分析。如果書中有提到一些重要的製程技術，例如MOCVD 或MBE 的應用，那對於我了解VCSEL 的製造環節也會有很大的幫助。

评分☆☆☆☆☆

收到《VCSEL 技術原理與應用》這本書，我第一個想法就是它大概能幫助我釐清不少過去的疑惑。像是，為什麼有些VCSEL 的效率那麼高，有些卻相對低落？書中會不會從量子效率、內建電壓、串聯電阻這些基本元件參數去剖析？還有，VCSEL 的光束品質（beam quality）也是很關鍵的指標，尤其是在光纖耦合和光學系統的設計中，我希望書裡能有詳細的介紹，包含M²值、遠場分佈圖等，並且說明如何透過結構設計和製程優化來改善。 我也很關注VCSEL 的可靠性和壽命問題，畢竟在許多應用中，長時間穩定運作是基本要求。書中會不會探討影響VCSEL 壽命的關鍵因素，像是熱應力、材料的退化、還有封裝技術的影響？如果能提供一些常見的失效模式分析，以及如何透過設計和測試來提升可靠性的建議，那對我來說將非常有價值。畢竟，了解原理是一回事，如何讓產品在實際環境中穩定工作，又是另一門學問。

评分☆☆☆☆☆

哇，收到這本《VCSEL 技術原理與應用》真是太令人興奮了！我本身在光電產業打滾了好幾年，對VCSEL 的發展一直有高度關注，但坦白說，有時候技術文件寫得太艱澀，讀起來實在有點吃力。我最期待這本書能深入淺出地解析VCSEL 的核心原理，像是量子井結構、增益機制、還有各種調變方式的物理基礎，而不是只停留在表面介紹。特別是那些數學模型和物理公式，我希望能有清晰的解釋和圖示輔助，讓我這個非本科出身的讀者也能理解其精髓。 另外，書中對各種應用場景的介紹也是我非常看重的部分。從過去的通訊應用，到現在在臉部辨識、LiDAR、甚至 isense 等快速崛起的領域，VCSEL 的應用版圖一直在擴張。我希望書中能提供具體的案例分析，像是不同應用場景下，VCSEL 該如何選擇、設計和優化，例如在高速光通訊中，如何克服訊號衰減和色散的問題；在3D 感測中，如何提升精準度和抗干擾能力。如果能提供一些產業趨勢的預測和未來發展方向的探討，那更是錦上添花！