垂直共振腔面射型雷射的發展與量產將近40年，在光通訊與光資訊領域已經成為不可或缺的主動光源最佳解決方案，並在近10年陸續應用在各式各樣的感測器相關用途，因此相關產業也開始進入高速成長期。
本書主要針對大專院校及研究所具備物理、電子電機、材料、半導體與光電科技相關背景的學生以及相關產業研發人員，提供一個進階課程所需的參考書。全書共分為七章，第一章將介紹面射型雷射發展歷程，第二章主要說明半導體雷射操作原理接續第三章針對面射型雷射結構設計考量與第四章動態操作等特性分析，第五章介紹目前最廣泛應用的砷化鎵系列材料面射型雷射製程技術，第六章探討長波長面射型雷射製作技術以及在光通訊、光資訊以及感測技術上的應用，第七章介紹採用氮化鎵系列材料製作短波長面射型雷射之最新進展以及相關應用及發展趨勢。
臺灣在面射型雷射技術研發已經形成涵蓋上中下游的磊晶成長、晶粒製程與封裝模組的完整產業鏈，希望讀者能藉由本書了解相關產業發展概況並激發深入研究的動機與興趣。
具体描述
深入探索现代光学通信与传感的基石：半导体激光器技术新进展 书籍名称： 边缘计算中的异构计算架构与优化策略 作者： [此处填写作者姓名，例如：张伟、李明] 出版社： [此处填写出版社名称] 出版年份： [此处填写出版年份] ISBN： [此处填写ISBN号码] --- 内容概要 本书全面、系统地探讨了当前蓬勃发展的边缘计算领域中，异构计算架构的设计、实现、性能优化及其在实际应用场景中的落地策略。随着物联网（IoT）、5G/6G通信以及工业自动化对实时性、低延迟和数据隐私保护的需求日益增强，传统的中心化云计算模式已无法完全满足所有计算需求。边缘计算作为一种分布式计算范式应运而生，而实现其高效能的关键，正在于如何灵活、高效地利用不同类型的计算资源——即异构计算。 本书旨在为系统架构师、嵌入式工程师、算法研究人员以及从事边缘智能部署的开发者提供一份深度指南。它不仅阐述了理论基础，更侧重于面向实践的工程挑战与解决方案。 --- 第一部分：边缘计算与异构计算的理论基础 第一章：边缘计算的生态系统与挑战 本章首先界定边缘计算的层次结构，从设备侧（Device Edge）到近端汇聚层（Near Edge/Fog Computing），再到云端（Cloud）。深入分析了边缘环境的独特约束条件，包括资源受限性（功耗、散热、内存）、网络不确定性（带宽波动、延迟变化）以及安全与隐私顾虑。重点讨论了边缘计算如何与5G/6G网络深度融合，实现超低延迟服务。 第二章：异构计算单元的特性与选型 异构计算是边缘部署的核心驱动力。本章详细剖析了主流异构处理单元的内在机制和适用场景： 1. CPU（中央处理器）： 作为通用控制与串行任务的主力，讨论其在控制流管理和操作系统调度中的作用。 2. GPU（图形处理器）： 侧重于其并行处理能力，特别是在深度学习推理和高性能数据流处理中的应用。分析了不同代系GPU的架构差异及其功耗/性能比。 3. FPGA（现场可编程门阵列）： 探讨其可重构性和硬件级定制能力，适用于需要极高定制化加速和低延迟I/O操作的场景。 4. ASIC（专用集成电路）与NPU（神经网络处理器）： 重点分析针对特定算法（如CNN、Transformer）的能效优势，以及面向特定场景（如自动驾驶感知模块）的定制化设计思路。 第三章：内存访问与数据布局的优化 在资源受限的边缘设备上，内存带宽往往是性能瓶颈。本章深入探讨了跨异构单元的数据搬运策略（如DMA、零拷贝技术）。内容涵盖缓存一致性问题、数据局部性原理在异构任务划分中的应用，以及如何设计面向特定加速器的内存数据布局以最大限度地提高吞吐量。 --- 第二部分：异构架构的构建与任务调度 第四章：异构系统编程模型与运行时环境 有效利用异构资源依赖于合适的编程模型。本章对比了当前主流的异构编程接口与框架，包括OpenCL、CUDA（及其在非NVIDIA平台上的替代方案如SYCL、oneAPI）、以及面向特定领域语言（DSL）。详细阐述了任务图（Task Graph）的构建过程，以及如何将复杂的计算工作流分解为可在不同硬件上并行执行的子任务。 第五章：动态任务调度与资源管理 边缘环境的负载是高度动态变化的。本章聚焦于先进的任务调度算法，目标是在满足服务质量（QoS）约束（如最大延迟）的前提下，最大化系统吞吐量和能效比。讨论了基于启发式（Heuristic）和基于强化学习（RL-based）的实时调度策略。特别关注了跨层级（Edge-to-Cloud）的协同调度机制，确保任务在最优位置执行。 第六章：能效驱动的架构设计与功耗控制 功耗是边缘设备设计中的核心制约。本章深入研究了电压/频率调节（DVFS）、动态任务迁移以及片上热管理技术。提出了适用于边缘AI推理的“能效感知”的算法-架构协同设计方法，例如在精度损失可接受范围内选择低功耗加速器或降低运行频率。 --- 第三部分：边缘异构计算的应用与前沿研究 第七章：面向实时推理的边缘AI加速 本章专注于将复杂的深度学习模型部署到异构边缘设备上。内容包括：模型量化（如INT8、稀疏化）以减少模型体积和计算需求；模型切分与卸载（Model Partitioning and Offloading），决定模型的部分层在CPU、GPU或NPU上运行；以及对联邦学习（Federated Learning）在边缘设备上的模型聚合与更新的异构实现。 第八章：时间敏感型网络（TSN）与边缘控制 在工业物联网（IIoT）和自动驾驶等场景中，时间同步和低抖动通信至关重要。本章探讨了如何将异构计算节点与时间敏感网络（TSN）相结合。讨论了基于硬件加速的确定性数据处理流程，以及边缘网关如何作为TSN流量的流量整形器和时间同步参考点。 第九章：异构安全机制与可信执行环境（TEE） 边缘设备面临更高的物理安全风险。本章探讨了在异构处理器上实现安全隔离的技术。内容包括：硬件信任根的建立、针对不同加速器（如GPU内核）的侧信道攻击防护、以及如何安全地管理敏感数据和加密密钥，确保算法执行过程的保密性和完整性。 第十章：未来展望：软硬件协同演进的路线图 本书的最后一部分展望了未来边缘异构计算的发展趋势，包括类脑计算（Neuromorphic Computing）的集成、可编程芯片（如Chiplet架构）对异构系统的重塑，以及在量子计算对经典计算产生影响后，边缘架构可能需要做出的适应性调整。 --- 目标读者 本书适合于： 从事嵌入式系统、高性能计算（HPC）和领域专用架构（DSA）的研究人员。 软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）的工程师。 希望优化其AI推理或数据处理流程以适应资源受限环境的开发者。 计算机体系结构、电子工程及相关专业的高年级本科生和研究生。 本书通过详实的案例分析和工程实践建议，旨在帮助读者构建出既高效能又具成本效益的下一代边缘计算解决方案。
著者信息
作者簡介
盧廷昌
現職
國立陽明交通大學光電系 講座教授
穩懋半導體 首席科學家
榮譽
OPTICA Fellow、SPIE Fellow、全球前2％頂尖科學家、科技部傑出研究獎、傑出電機工程教授獎
尤信介
現職
國立陽明交通大學照明與能源光電研究所 助理教授
國立成功大學智慧半導體及永續製造學院暨光電系 兼任助理教授
榮譽
國立陽明交通大學110學年度優良教學獎，108、109、110學年度績優導師
盧廷昌
現職
國立陽明交通大學光電系 講座教授
穩懋半導體 首席科學家
榮譽
OPTICA Fellow、SPIE Fellow、全球前2％頂尖科學家、科技部傑出研究獎、傑出電機工程教授獎
尤信介
現職
國立陽明交通大學照明與能源光電研究所 助理教授
國立成功大學智慧半導體及永續製造學院暨光電系 兼任助理教授
榮譽
國立陽明交通大學110學年度優良教學獎，108、109、110學年度績優導師
图书目录
第一章 垂直共振腔面射型雷射的發展
1.1 雷射發展歷史
1.2 面射型雷射發展歷程
1.3 面射型雷射之優點
1.4 面射型雷射初期研發進展
1.5 可見光面射型雷射
1.6 長波長面射型雷射
1.7 多波長與可調波長面射型雷射
1.8 短波長面射型雷射
參考資料
第二章 半導體雷射基本操作原理與結構
2.1 雙異質接面
2.2 半導體光增益與放大特性
2.3 半導體雷射震盪條件
2.3.1 振幅條件
2.3.2 相位條件
2.4 速率方程式與雷射輸出特性
本章習題
參考資料
第三章 VCSEL基本操作原理
3.1 VCSEL與EEL的比較
3.2 布拉格反射鏡
3.2.1 傳遞矩陣
3.2.2 穿透深度
3.2.3 布拉格反射鏡結構設計
3.3 垂直共振腔面射型雷射之特性
3.4 溫度效應
3.5 微共振腔效應
3.6 載子與光學侷限結構
本章習題
參考資料
第四章 高速VCSEL操作動態特性
4.1 小信號響應
4.1.1 弛豫頻率與截止頻率
4.1.2 非線性增益飽和效應
4.1.3 高速雷射調制之設計
4.1.4 小信號速率方程式之暫態解
4.2 大信號響應
4.2.1 導通延遲時間
4.2.2 大信號調制之數值解
4.3 線寬增強因子與啁啾
4.3.1 頻率啁啾與頻率調制
4.3.2 半導體雷射之發光線寬
4.4 相對強度雜訊
本章習題
參考資料
第五章 GaAs-based VCSEL製作技術
5.1 電流侷限方法
5.1.1 增益波導
5.1.2 折射率波導
5.1.3 離子佈植法
5.1.4 氧化侷限法
5.2 面射型雷射製程技術
5.2.1 蝕刻
5.2.2 選擇性氧化
5.2.3 金屬電極製作
本章習題
參考資料
第六章 紅外光VCSEL技術與應用
6.1 紅外光VCSEL元件
6.1.1 InP異質接面／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量子點面射型雷射
6.2 紅外光VCSEL應用
6.2.1 光通訊應用與高頻操作
6.2.2 光資訊應用與單模操作
6.2.3 感測器應用
6.3 紅外光VCSEL的近期發展
6.3.1 面射型雷射陣列
6.3.2 多接面面射型雷射
6.3.3 下發光面射型雷射
6.3.4 可定址面射型雷射陣列
本章習題
參考資料
第七章 藍紫光VCSEL技術與應用
7.1 藍紫光VCSEL用之反射鏡
7.2 光激發式藍紫光VCSEL
7.3 電激發式藍紫光VCSEL
7.4 藍紫光VCSEL的近期發展
7.4.1 混合式氮化鎵VCSEL
7.4.2 介電質氮化鎵VCSEL
7.4.3 HCG氮化鎵VCSEL
參考資料
1.1 雷射發展歷史
1.2 面射型雷射發展歷程
1.3 面射型雷射之優點
1.4 面射型雷射初期研發進展
1.5 可見光面射型雷射
1.6 長波長面射型雷射
1.7 多波長與可調波長面射型雷射
1.8 短波長面射型雷射
參考資料
第二章 半導體雷射基本操作原理與結構
2.1 雙異質接面
2.2 半導體光增益與放大特性
2.3 半導體雷射震盪條件
2.3.1 振幅條件
2.3.2 相位條件
2.4 速率方程式與雷射輸出特性
本章習題
參考資料
第三章 VCSEL基本操作原理
3.1 VCSEL與EEL的比較
3.2 布拉格反射鏡
3.2.1 傳遞矩陣
3.2.2 穿透深度
3.2.3 布拉格反射鏡結構設計
3.3 垂直共振腔面射型雷射之特性
3.4 溫度效應
3.5 微共振腔效應
3.6 載子與光學侷限結構
本章習題
參考資料
第四章 高速VCSEL操作動態特性
4.1 小信號響應
4.1.1 弛豫頻率與截止頻率
4.1.2 非線性增益飽和效應
4.1.3 高速雷射調制之設計
4.1.4 小信號速率方程式之暫態解
4.2 大信號響應
4.2.1 導通延遲時間
4.2.2 大信號調制之數值解
4.3 線寬增強因子與啁啾
4.3.1 頻率啁啾與頻率調制
4.3.2 半導體雷射之發光線寬
4.4 相對強度雜訊
本章習題
參考資料
第五章 GaAs-based VCSEL製作技術
5.1 電流侷限方法
5.1.1 增益波導
5.1.2 折射率波導
5.1.3 離子佈植法
5.1.4 氧化侷限法
5.2 面射型雷射製程技術
5.2.1 蝕刻
5.2.2 選擇性氧化
5.2.3 金屬電極製作
本章習題
參考資料
第六章 紅外光VCSEL技術與應用
6.1 紅外光VCSEL元件
6.1.1 InP異質接面／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量子點面射型雷射
6.2 紅外光VCSEL應用
6.2.1 光通訊應用與高頻操作
6.2.2 光資訊應用與單模操作
6.2.3 感測器應用
6.3 紅外光VCSEL的近期發展
6.3.1 面射型雷射陣列
6.3.2 多接面面射型雷射
6.3.3 下發光面射型雷射
6.3.4 可定址面射型雷射陣列
本章習題
參考資料
第七章 藍紫光VCSEL技術與應用
7.1 藍紫光VCSEL用之反射鏡
7.2 光激發式藍紫光VCSEL
7.3 電激發式藍紫光VCSEL
7.4 藍紫光VCSEL的近期發展
7.4.1 混合式氮化鎵VCSEL
7.4.2 介電質氮化鎵VCSEL
7.4.3 HCG氮化鎵VCSEL
參考資料
图书序言
- ISBN：9786263666443
- 規格：平裝 / 296頁 / 19 x 26 x 1.3 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 2版
- 出版地：台灣
- 本書分類：專業/教科書/政府出版品> 電機資訊類> 光電
图书试读
第二版序
從2019本書第一版付梓到現在這個時刻，全球因為Covid-19新冠肺炎的嚴重影響，從大規模城市到國家的封鎖，從個人健康威脅與疫苗注射到許多人的求學、就業與生活都必須被迫改變，讓這個世界變得很不一樣了。在此期間，數位科技扮演了人們為了應付此突如其來的大變化一個相當重要的角色，我們開始習慣於網上購物、線上學習與視訊會議，各式各樣的機器人、無人機與自動駕駛的技術逐漸應用到我們生活周遭，最近OpenAI展示的生成式AI更開啟了人工智慧的新一波榮景；很慶幸VCSEL的優異特性與持續的發展和演進，讓其應用到前述的許多場景，尤其是近年來的資料中心的光連結，5G、6G通訊以及3D感測與自動駕駛對VCSEL的需求越來越大，也因此促成作者能夠在此刻再版此書。在此版本中更正了這幾年來所發現而累積到目前的錯誤，並在新版中加上VCSEL一些新的進展，希望此版本能提供學生、研究學者、老師與業界人員一本深入淺出介紹VCSEL各方面技術的書籍，也希望讀者能不吝回饋與指教本書仍可能存在的謬誤。
最後，非常感謝五南出版社對此書的再版，作者盧廷昌要感謝國立陽明交通大學光電系與穩懋半導體的支持，以及要深深感謝這位不但持續支持全心投入在工作、教學、研究還要寫書而無暇顧家的我、而且仍不斷給我鼓勵往前衝刺的妻子—詠梅。作者尤信介要感謝加州大學洛杉磯分校工學院副院長暨電機系諾斯洛普講座劉佳明教授在出版專書經驗分享與教學研究工作上的鼓勵。
盧廷昌
尤信介
2023年於新竹陽明交大
序
自從日本東京工業大學伊賀健一教授在1979年首次成功製作出垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs）以來，這個全新結構且具備眾多優異操作特性的雷射元件迅速成為各大光電產業及研究機構競相投入開發的新興領域。面射型雷射也在1990年代中期成功商品化，早期主要應用於短距離光纖通訊收發模組主動光源，也成為推動90年代末期進入網路資訊化社會的主要原動力之一。由於發展過於迅速，且電子商務剛處於萌芽階段，對頻寬需求較大的數位內容相關產業尚未建立，入口網站獲利模式也還不夠明確，因此在21世紀初出現網路泡沫化危機，對寬頻網路的需求一度停滯，並且有許多已經佈建完成的光纖網路也處於閒置狀態未曾被啟用，連帶影響光收發模組需求導致許多原先從事面射型雷射研發生產製造的廠商相繼終止投資，並面臨部門裁撤甚至被購併的危機。此時開始有廠商將面射型雷射應用於感測器相關用途，開啟另一項潛在市場規模更大的應用。
在2007年起由於智慧型手機開始逐漸普及，社群網站與數位內容影音串流等對高速網路頻寬需求迫切的應用陸續浮現，同時各國網路服務供應商也積極佈建光纖到府等最後一哩（last mile）網路接取基礎建設，因此光通訊模組市場再度活絡，且需求較網路泡沫化之前的高峰期還要可觀，不僅是網路服務需求，數據中心與數位裝置高速傳輸介面也逐漸需要仰賴面射型雷射作為具成本效益且低功耗、高性能的傳輸模組主動光源。雖然在2014年就開始有智慧型手機裝設面射型雷射作為相機對焦輔助光源，但是在2017年，全球智慧型手機獲利龍頭廠商首次在旗艦機款搭載具備多顆面射型雷射主動光源的3D景深辨識系統，瞬間將面射型雷射的市場需求推升到前所未有的高度，隨著主要手機製造商的跟進，目前面射型雷射在感測器相關用途的需求已經超越光通訊模組，並且隨著第5代行動通訊（5G）網路的佈建，人工智慧與物聯網AIoT、自駕車技術以及擴增／虛擬實境AR/VR的蓬勃發展，對VCSELs的需求總數還有可能持續攀升。
臺灣學術研究單位與光電產業很早就投入面射型雷射技術研發，在過去20幾年來已經累積相當豐碩的研究成果與量產經驗。目前在面射型雷射領域已經建立完整的上游磊晶成長、中游晶粒製造以及下游封裝模組的產業鏈，所欠缺的部分環節在於最上游的研發人才培育以及最後段的產品出海口系統應用端，這也是附加價值最大的一環，因此為了提升面射型雷射產業整體競爭力，有必要吸引更多優秀人才投入先進技術研究以及產品應用開發。本書主要目的即在於提供光電相關領域研發人員，以及具備基礎知識的學生及產業分析、產品設計人員一個深入了解面射型雷射技術發展的管道，希望有助於提升並強化相關產業的競爭力。
本書主要針對大專院校及研究所具備物理、電子電機、材料、半導體與光電科技相關背景的學生以及相關產業研發人員，提供一個進階課程所需的參考書籍，同時部分章節中附以範例與章節習題，除了可以幫助讀者在研讀時易於了解章節的重點外，亦可當作教授大四及研究所以上的教科書使用。全書共分為七章，第一章介紹面射型雷射發展歷程，第二章簡要說明半導體雷射的基本操作原理，以最早被發明的邊射型雷射（edge emitting laser, EEL）為基礎，先介紹p-n雙異質接面的操作特性；接著再介紹半導體雷射主動層中電光轉換的部分，也就是增益介質將光放大的特性，之後則討論雷射振盪的條件以及介紹半導體雷射的速率方程式，引入載子生命期、光子生命期、自發性輻射因子等參數，列出載子密度與光子密度的速率方程式來推導半導體雷射的閾值條件與輸出特性。第三章針對面射型雷射結構設計考量，主要於介紹垂直共振腔面射型雷射的原理、設計、結構與發展現況，其中包含面射型雷射中重要的高反射率反射鏡DBR（distributed Bragg reflector）的設計與適當的材料選擇，此外對於垂直共振腔面射型雷射的設計概念、操作特性與溫度效應做詳細的說明，並介紹光學微共振腔的效應。第四章中，我們將運用載子濃度與光子密度的速率方程式，來了解雷射操作特性隨時間變化的動態行為。依受到外部調制的大小區分為大信號與小信號分析；在小信號分析裡，我們可以獲取半導體雷射的各種輸出特性的變化量對應於輸入參數的變化量，我們將介紹半導體雷射系統因為載子濃度與光子密度的速率方程式互相耦合所產生的共振現象，並推導其在共振時的振盪頻率即弛豫頻率以及其所對應的截止頻率或調制響應的頻寬，接著再介紹當半導體雷射操作在大電流或是高雷射輸出功率時所產生的非線性增益飽和的現象，以及其對半導體雷射的弛豫頻率與調制響應頻寬的影響，然後再討論載子濃度與光子密度在小信號近似下隨時間變化的暫態解。在大信號分析的介紹中，會先討論半導體雷射在瞬間輸入電流導通時產生延遲輸出的原因以及眼圖的概念。而在大信號分析的介紹中，會衍伸出所謂的雷射輸出信號啁啾的現象，為了說明這個現象，我們將介紹所謂的線寬增強因子在半導體雷射中產生的原因與影響，接著就會推導出半導體雷射光在頻譜量測中得到的發光線寬，以了解線寬增強因子在半導體雷射中所扮演的重要角色。最後，將介紹相對強度雜訊的起源與影響，以及和半導體雷射中弛豫振盪的關係。第五章著重於目前最廣
泛應用的砷化鎵系列材料面射型雷射製程技術，特別是選擇性氧化面射型雷射製程技術介紹；第六章探討長波長面射型雷射製作技術以及在光通訊、光資訊以及感測技術上的應用；最後第七章主要介紹短波長的藍綠光、紫光和紫外光氮化鎵面射型雷射發展。寬能隙藍光氮化鎵材料及其相關的光電元件發展在最近十年內一直是熱門的研究議題，由於氮化鎵材料並無晶格匹配的基板，因此在磊晶成長高品質氮化鎵薄膜始終面臨了高缺陷密度的問題，加上高濃度的p型氮化鎵製作不易，使得氮化鎵相關的光電元件發展相較於一般三五族材料緩慢許多。現今氮化鎵藍光邊射型雷射已發展相當成熟，並且已有商品化的出現，然而相較於藍光邊射型雷射而言，藍光VCSEL的發展卻非常緩慢，其中重要的關鍵在於缺少晶格匹配的基板與高反射率的氮化鎵DBR反射鏡製作困難，我們將在本章介紹藍紫光VCSEL的技術發展。
本書的部分內容源自作者之一盧廷昌由五南圖書於2008年出版的《半導體雷射導論》以及2010年出版的《半導體雷射技術》。之後，五南圖書編輯部常與我聯繫，希望我能就其他種類的雷射編寫教科書或專業文獻，只是礙於繁重的教學與研究工作，一直無法答應，直到這兩年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寫此書的行列，才能應五南圖書王正華主編的邀請將編撰本書的具體行動付諸實現。
我們想感謝交通大學光電系和光電學院提供良好的環境，讓作者得以在不受打擾的氛圍中埋首寫作！本書的完成經歷了許多人的參與協助，特別感謝五南圖書的編輯部門能迅速將我們的初稿編輯成冊。作者之一盧廷昌要感謝指導教授交大光電系的王興宗老師帶領進入半導體雷射的領域，並持續鼓勵與支持其研究工作，同時也要感謝交大光電系的同仁們的支持與協助，而博士班的學生祖齊、振庭在藍光面射型雷射、高速操作分析等內容的提供，為本書增添不少可讀性。作者之一的尤信介要感謝在工研院光電所實習期間參與經濟部科專計畫與國合計畫VCSEL技術研發團隊的指導與協助，包含郭浩中教授、張慶安博士、宋嘉斌博士、楊泓斌博士、祁錦雲博士、林國瑞博士、邱舒偉博士、王智祥博士、吳易座博士、江文章博士、黃俊元博士、賴芳儀博士、張亞銜博士、李晉東博士、陳奕良博士以及俄羅斯科學院Ioffe Institute Dr. A. R. Kovsh, Dr. N. A. Maleev, Dr. S. S. Mikhrin, Dr. D. A. Livshits, Prof. M. Kokorev等，以及成功大學蘇炎坤教授、許渭州教授與張守進教授和在美國進行科技部補助博士後研究計畫期間UCLA電機系王康隆院士與史丹佛大學電機系Prof. J. S. Harris及實驗室團隊成員的諸多協助。
最後，作者盧廷昌要深深感謝在教學、研究還要寫書的過程中不斷給我鼓勵和支持的妻子詠梅。
盧廷昌
國立交通大學光電系特聘教授兼系主任
尤信介
國立交通大學照明與能源光電研究所助理教授
從2019本書第一版付梓到現在這個時刻，全球因為Covid-19新冠肺炎的嚴重影響，從大規模城市到國家的封鎖，從個人健康威脅與疫苗注射到許多人的求學、就業與生活都必須被迫改變，讓這個世界變得很不一樣了。在此期間，數位科技扮演了人們為了應付此突如其來的大變化一個相當重要的角色，我們開始習慣於網上購物、線上學習與視訊會議，各式各樣的機器人、無人機與自動駕駛的技術逐漸應用到我們生活周遭，最近OpenAI展示的生成式AI更開啟了人工智慧的新一波榮景；很慶幸VCSEL的優異特性與持續的發展和演進，讓其應用到前述的許多場景，尤其是近年來的資料中心的光連結，5G、6G通訊以及3D感測與自動駕駛對VCSEL的需求越來越大，也因此促成作者能夠在此刻再版此書。在此版本中更正了這幾年來所發現而累積到目前的錯誤，並在新版中加上VCSEL一些新的進展，希望此版本能提供學生、研究學者、老師與業界人員一本深入淺出介紹VCSEL各方面技術的書籍，也希望讀者能不吝回饋與指教本書仍可能存在的謬誤。
最後，非常感謝五南出版社對此書的再版，作者盧廷昌要感謝國立陽明交通大學光電系與穩懋半導體的支持，以及要深深感謝這位不但持續支持全心投入在工作、教學、研究還要寫書而無暇顧家的我、而且仍不斷給我鼓勵往前衝刺的妻子—詠梅。作者尤信介要感謝加州大學洛杉磯分校工學院副院長暨電機系諾斯洛普講座劉佳明教授在出版專書經驗分享與教學研究工作上的鼓勵。
盧廷昌
尤信介
2023年於新竹陽明交大
序
自從日本東京工業大學伊賀健一教授在1979年首次成功製作出垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs）以來，這個全新結構且具備眾多優異操作特性的雷射元件迅速成為各大光電產業及研究機構競相投入開發的新興領域。面射型雷射也在1990年代中期成功商品化，早期主要應用於短距離光纖通訊收發模組主動光源，也成為推動90年代末期進入網路資訊化社會的主要原動力之一。由於發展過於迅速，且電子商務剛處於萌芽階段，對頻寬需求較大的數位內容相關產業尚未建立，入口網站獲利模式也還不夠明確，因此在21世紀初出現網路泡沫化危機，對寬頻網路的需求一度停滯，並且有許多已經佈建完成的光纖網路也處於閒置狀態未曾被啟用，連帶影響光收發模組需求導致許多原先從事面射型雷射研發生產製造的廠商相繼終止投資，並面臨部門裁撤甚至被購併的危機。此時開始有廠商將面射型雷射應用於感測器相關用途，開啟另一項潛在市場規模更大的應用。
在2007年起由於智慧型手機開始逐漸普及，社群網站與數位內容影音串流等對高速網路頻寬需求迫切的應用陸續浮現，同時各國網路服務供應商也積極佈建光纖到府等最後一哩（last mile）網路接取基礎建設，因此光通訊模組市場再度活絡，且需求較網路泡沫化之前的高峰期還要可觀，不僅是網路服務需求，數據中心與數位裝置高速傳輸介面也逐漸需要仰賴面射型雷射作為具成本效益且低功耗、高性能的傳輸模組主動光源。雖然在2014年就開始有智慧型手機裝設面射型雷射作為相機對焦輔助光源，但是在2017年，全球智慧型手機獲利龍頭廠商首次在旗艦機款搭載具備多顆面射型雷射主動光源的3D景深辨識系統，瞬間將面射型雷射的市場需求推升到前所未有的高度，隨著主要手機製造商的跟進，目前面射型雷射在感測器相關用途的需求已經超越光通訊模組，並且隨著第5代行動通訊（5G）網路的佈建，人工智慧與物聯網AIoT、自駕車技術以及擴增／虛擬實境AR/VR的蓬勃發展，對VCSELs的需求總數還有可能持續攀升。
臺灣學術研究單位與光電產業很早就投入面射型雷射技術研發，在過去20幾年來已經累積相當豐碩的研究成果與量產經驗。目前在面射型雷射領域已經建立完整的上游磊晶成長、中游晶粒製造以及下游封裝模組的產業鏈，所欠缺的部分環節在於最上游的研發人才培育以及最後段的產品出海口系統應用端，這也是附加價值最大的一環，因此為了提升面射型雷射產業整體競爭力，有必要吸引更多優秀人才投入先進技術研究以及產品應用開發。本書主要目的即在於提供光電相關領域研發人員，以及具備基礎知識的學生及產業分析、產品設計人員一個深入了解面射型雷射技術發展的管道，希望有助於提升並強化相關產業的競爭力。
本書主要針對大專院校及研究所具備物理、電子電機、材料、半導體與光電科技相關背景的學生以及相關產業研發人員，提供一個進階課程所需的參考書籍，同時部分章節中附以範例與章節習題，除了可以幫助讀者在研讀時易於了解章節的重點外，亦可當作教授大四及研究所以上的教科書使用。全書共分為七章，第一章介紹面射型雷射發展歷程，第二章簡要說明半導體雷射的基本操作原理，以最早被發明的邊射型雷射（edge emitting laser, EEL）為基礎，先介紹p-n雙異質接面的操作特性；接著再介紹半導體雷射主動層中電光轉換的部分，也就是增益介質將光放大的特性，之後則討論雷射振盪的條件以及介紹半導體雷射的速率方程式，引入載子生命期、光子生命期、自發性輻射因子等參數，列出載子密度與光子密度的速率方程式來推導半導體雷射的閾值條件與輸出特性。第三章針對面射型雷射結構設計考量，主要於介紹垂直共振腔面射型雷射的原理、設計、結構與發展現況，其中包含面射型雷射中重要的高反射率反射鏡DBR（distributed Bragg reflector）的設計與適當的材料選擇，此外對於垂直共振腔面射型雷射的設計概念、操作特性與溫度效應做詳細的說明，並介紹光學微共振腔的效應。第四章中，我們將運用載子濃度與光子密度的速率方程式，來了解雷射操作特性隨時間變化的動態行為。依受到外部調制的大小區分為大信號與小信號分析；在小信號分析裡，我們可以獲取半導體雷射的各種輸出特性的變化量對應於輸入參數的變化量，我們將介紹半導體雷射系統因為載子濃度與光子密度的速率方程式互相耦合所產生的共振現象，並推導其在共振時的振盪頻率即弛豫頻率以及其所對應的截止頻率或調制響應的頻寬，接著再介紹當半導體雷射操作在大電流或是高雷射輸出功率時所產生的非線性增益飽和的現象，以及其對半導體雷射的弛豫頻率與調制響應頻寬的影響，然後再討論載子濃度與光子密度在小信號近似下隨時間變化的暫態解。在大信號分析的介紹中，會先討論半導體雷射在瞬間輸入電流導通時產生延遲輸出的原因以及眼圖的概念。而在大信號分析的介紹中，會衍伸出所謂的雷射輸出信號啁啾的現象，為了說明這個現象，我們將介紹所謂的線寬增強因子在半導體雷射中產生的原因與影響，接著就會推導出半導體雷射光在頻譜量測中得到的發光線寬，以了解線寬增強因子在半導體雷射中所扮演的重要角色。最後，將介紹相對強度雜訊的起源與影響，以及和半導體雷射中弛豫振盪的關係。第五章著重於目前最廣
泛應用的砷化鎵系列材料面射型雷射製程技術，特別是選擇性氧化面射型雷射製程技術介紹；第六章探討長波長面射型雷射製作技術以及在光通訊、光資訊以及感測技術上的應用；最後第七章主要介紹短波長的藍綠光、紫光和紫外光氮化鎵面射型雷射發展。寬能隙藍光氮化鎵材料及其相關的光電元件發展在最近十年內一直是熱門的研究議題，由於氮化鎵材料並無晶格匹配的基板，因此在磊晶成長高品質氮化鎵薄膜始終面臨了高缺陷密度的問題，加上高濃度的p型氮化鎵製作不易，使得氮化鎵相關的光電元件發展相較於一般三五族材料緩慢許多。現今氮化鎵藍光邊射型雷射已發展相當成熟，並且已有商品化的出現，然而相較於藍光邊射型雷射而言，藍光VCSEL的發展卻非常緩慢，其中重要的關鍵在於缺少晶格匹配的基板與高反射率的氮化鎵DBR反射鏡製作困難，我們將在本章介紹藍紫光VCSEL的技術發展。
本書的部分內容源自作者之一盧廷昌由五南圖書於2008年出版的《半導體雷射導論》以及2010年出版的《半導體雷射技術》。之後，五南圖書編輯部常與我聯繫，希望我能就其他種類的雷射編寫教科書或專業文獻，只是礙於繁重的教學與研究工作，一直無法答應，直到這兩年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寫此書的行列，才能應五南圖書王正華主編的邀請將編撰本書的具體行動付諸實現。
我們想感謝交通大學光電系和光電學院提供良好的環境，讓作者得以在不受打擾的氛圍中埋首寫作！本書的完成經歷了許多人的參與協助，特別感謝五南圖書的編輯部門能迅速將我們的初稿編輯成冊。作者之一盧廷昌要感謝指導教授交大光電系的王興宗老師帶領進入半導體雷射的領域，並持續鼓勵與支持其研究工作，同時也要感謝交大光電系的同仁們的支持與協助，而博士班的學生祖齊、振庭在藍光面射型雷射、高速操作分析等內容的提供，為本書增添不少可讀性。作者之一的尤信介要感謝在工研院光電所實習期間參與經濟部科專計畫與國合計畫VCSEL技術研發團隊的指導與協助，包含郭浩中教授、張慶安博士、宋嘉斌博士、楊泓斌博士、祁錦雲博士、林國瑞博士、邱舒偉博士、王智祥博士、吳易座博士、江文章博士、黃俊元博士、賴芳儀博士、張亞銜博士、李晉東博士、陳奕良博士以及俄羅斯科學院Ioffe Institute Dr. A. R. Kovsh, Dr. N. A. Maleev, Dr. S. S. Mikhrin, Dr. D. A. Livshits, Prof. M. Kokorev等，以及成功大學蘇炎坤教授、許渭州教授與張守進教授和在美國進行科技部補助博士後研究計畫期間UCLA電機系王康隆院士與史丹佛大學電機系Prof. J. S. Harris及實驗室團隊成員的諸多協助。
最後，作者盧廷昌要深深感謝在教學、研究還要寫書的過程中不斷給我鼓勵和支持的妻子詠梅。
盧廷昌
國立交通大學光電系特聘教授兼系主任
尤信介
國立交通大學照明與能源光電研究所助理教授
用户评价
评分
这本书的价值在于它成功地架设了一座坚实的桥梁，连接了基础物理学和尖端工程应用。我发现自己对光腔模式、纵模选择以及温度漂移补偿机制的理解得到了质的飞跃。书中对VCSEL的制造工艺流程描述得非常细致，从外延生长到刻蚀钝化，每一步的关键控制点都清晰可见，这对于理解商业化产品与理论模型的偏差至关重要。在我看来，这本书的语言风格严谨而不失温度，它既尊重科学的精确性，又照顾到读者的接受能力，避免了过度晦涩的行话堆砌。它不是一本快速通读就能掌握的书，而是需要反复研磨、并在实际工作中对照查阅的“字典”和“指南”。它的内容深度远超一般综述性文章，是真正沉下心来做研究的必备参考书目。
评分这本书的深度和广度真是令人印象深刻，它成功地将复杂的物理概念与实际应用场景编织在一起，让我对这项关键技术有了更为系统和全面的认识。特别是对于那些希望深入理解VCSEL工作机制的工程师和研究人员来说，这本书无疑是一份宝贵的资源。作者在阐述光发射原理时，使用了大量清晰的图示和详尽的数学推导，这种严谨的学术态度保证了内容的前沿性和准确性。读完后，我感觉自己对半导体激光器的能带结构、量子限制效应以及腔体设计如何影响输出特性等核心问题有了更扎实的把握。书中对不同调制方式和驱动电路的剖析也极具参考价值，这直接关系到VCSEL在高速通信和传感领域中的实际部署与性能优化。我尤其欣赏作者在章节末尾设置的“深入探讨”部分，它往往能引出一些尚未完全解决的研究热点，激发读者进一步探索的兴趣。
评分这本书的结构设计非常适合自学者，它不是那种堆砌公式和理论的枯燥教科书，而更像是一位经验丰富的导师在循循善诱。从基础的光电效应讲起，逐步过渡到器件的电流注入和光子产生，逻辑链条非常顺畅。对于我这种非专业背景出身，但对光电技术有浓厚兴趣的读者来说，前几章的铺垫至关重要。作者没有回避技术细节，但表达方式却异常清晰易懂，很多时候，仅仅通过一个精妙的比喻，原本晦涩的物理过程就豁然开朗了。书中对VCSEL在光互连、3D传感（如ToF）以及生物医学成像中的应用案例分析，提供了极好的上下文语境，让人明白这些理论知识的价值所在。唯一的遗憾是，某些特定制造工艺的微小差异对器件性能的实际影响，或许可以再增加一些实际的故障排除案例来佐证，那会让实践性更强一些。
评分阅读这本书的过程，简直是一次从微观粒子世界到宏观系统集成的思维跳跃之旅。它不仅仅是讲解了VCSEL本身，更深入探讨了它如何融入整个光通信或传感系统中去“工作”。例如，它对光子晶体腔的设计如何影响垂直辐射特性，以及表面发射带来的便于大规模阵列集成的优势，都做了深入且富有洞察力的分析。我尤其欣赏作者在处理不同应用场景时，切换视角的能力——一会儿是关注量子效率的物理学家，一会儿又是关注成本和良率的器件工程师。这种多维度的视角使得整本书的论述饱满而立体。对于希望从原理层面理解为什么选择VCSEL而非EEL（边发射激光器）来解决特定问题的读者，这本书提供了无可辩驳的论据和详实的性能对比数据。
评分我必须说，这是近年来我阅读过的关于半导体激光器领域中，技术更新速度最快、内容覆盖面最全面的专业书籍之一。第二版显然吸取了第一版的经验，在数据更新和新技术的引入上做得非常出色。特别是关于VCSEL阵列的集成技术、高带宽调制器的最新进展，以及在光纤耦合效率优化方面的最新研究成果，都有着详尽的介绍。书中对噪声模型和可靠性测试标准的讨论也达到了行业领先水平，这对于进行产品设计和长期稳定性评估的团队来说，是无可替代的参考资料。我个人对其中关于非线性效应补偿的章节特别感兴趣，作者用一种非常务实的方式解释了如何通过优化注入电流波形来改善信号质量，而不是停留在纯粹的理论层面。这本书无疑是当前光电子工程师案头必备的工具书，每一次翻阅都能带来新的启发和解决问题的思路。
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