垂直共振腔麵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，第一章將介紹麵射型雷射發展歷程，第二章主要說明半導體雷射操作原理接續第三章針對麵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係列材料麵射型雷射製程技術，第六章探討長波長麵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係列材料製作短波長麵射型雷射之最新進展以及相關應用及發展趨勢。
臺灣在麵射型雷射技術研發已經形成涵蓋上中下遊的磊晶成長、晶粒製程與封裝模組的完整產業鏈，希望讀者能藉由本書瞭解相關產業發展概況並激發深入研究的動機與興趣。
具體描述
深入探索現代光學通信與傳感的基石：半導體激光器技術新進展 書籍名稱： 邊緣計算中的異構計算架構與優化策略 作者： [此處填寫作者姓名，例如：張偉、李明] 齣版社： [此處填寫齣版社名稱] 齣版年份： [此處填寫齣版年份] ISBN： [此處填寫ISBN號碼] --- 內容概要 本書全麵、係統地探討瞭當前蓬勃發展的邊緣計算領域中，異構計算架構的設計、實現、性能優化及其在實際應用場景中的落地策略。隨著物聯網（IoT）、5G/6G通信以及工業自動化對實時性、低延遲和數據隱私保護的需求日益增強，傳統的中心化雲計算模式已無法完全滿足所有計算需求。邊緣計算作為一種分布式計算範式應運而生，而實現其高效能的關鍵，正在於如何靈活、高效地利用不同類型的計算資源——即異構計算。 本書旨在為係統架構師、嵌入式工程師、算法研究人員以及從事邊緣智能部署的開發者提供一份深度指南。它不僅闡述瞭理論基礎，更側重於麵嚮實踐的工程挑戰與解決方案。 --- 第一部分：邊緣計算與異構計算的理論基礎 第一章：邊緣計算的生態係統與挑戰 本章首先界定邊緣計算的層次結構，從設備側（Device Edge）到近端匯聚層（Near Edge/Fog Computing），再到雲端（Cloud）。深入分析瞭邊緣環境的獨特約束條件，包括資源受限性（功耗、散熱、內存）、網絡不確定性（帶寬波動、延遲變化）以及安全與隱私顧慮。重點討論瞭邊緣計算如何與5G/6G網絡深度融閤，實現超低延遲服務。 第二章：異構計算單元的特性與選型 異構計算是邊緣部署的核心驅動力。本章詳細剖析瞭主流異構處理單元的內在機製和適用場景： 1. CPU（中央處理器）： 作為通用控製與串行任務的主力，討論其在控製流管理和操作係統調度中的作用。 2. GPU（圖形處理器）： 側重於其並行處理能力，特彆是在深度學習推理和高性能數據流處理中的應用。分析瞭不同代係GPU的架構差異及其功耗/性能比。 3. FPGA（現場可編程門陣列）： 探討其可重構性和硬件級定製能力，適用於需要極高定製化加速和低延遲I/O操作的場景。 4. ASIC（專用集成電路）與NPU（神經網絡處理器）： 重點分析針對特定算法（如CNN、Transformer）的能效優勢，以及麵嚮特定場景（如自動駕駛感知模塊）的定製化設計思路。 第三章：內存訪問與數據布局的優化 在資源受限的邊緣設備上，內存帶寬往往是性能瓶頸。本章深入探討瞭跨異構單元的數據搬運策略（如DMA、零拷貝技術）。內容涵蓋緩存一緻性問題、數據局部性原理在異構任務劃分中的應用，以及如何設計麵嚮特定加速器的內存數據布局以最大限度地提高吞吐量。 --- 第二部分：異構架構的構建與任務調度 第四章：異構係統編程模型與運行時環境 有效利用異構資源依賴於閤適的編程模型。本章對比瞭當前主流的異構編程接口與框架，包括OpenCL、CUDA（及其在非NVIDIA平颱上的替代方案如SYCL、oneAPI）、以及麵嚮特定領域語言（DSL）。詳細闡述瞭任務圖（Task Graph）的構建過程，以及如何將復雜的計算工作流分解為可在不同硬件上並行執行的子任務。 第五章：動態任務調度與資源管理 邊緣環境的負載是高度動態變化的。本章聚焦於先進的任務調度算法，目標是在滿足服務質量（QoS）約束（如最大延遲）的前提下，最大化係統吞吐量和能效比。討論瞭基於啓發式（Heuristic）和基於強化學習（RL-based）的實時調度策略。特彆關注瞭跨層級（Edge-to-Cloud）的協同調度機製，確保任務在最優位置執行。 第六章：能效驅動的架構設計與功耗控製 功耗是邊緣設備設計中的核心製約。本章深入研究瞭電壓/頻率調節（DVFS）、動態任務遷移以及片上熱管理技術。提齣瞭適用於邊緣AI推理的“能效感知”的算法-架構協同設計方法，例如在精度損失可接受範圍內選擇低功耗加速器或降低運行頻率。 --- 第三部分：邊緣異構計算的應用與前沿研究 第七章：麵嚮實時推理的邊緣AI加速 本章專注於將復雜的深度學習模型部署到異構邊緣設備上。內容包括：模型量化（如INT8、稀疏化）以減少模型體積和計算需求；模型切分與卸載（Model Partitioning and Offloading），決定模型的部分層在CPU、GPU或NPU上運行；以及對聯邦學習（Federated Learning）在邊緣設備上的模型聚閤與更新的異構實現。 第八章：時間敏感型網絡（TSN）與邊緣控製 在工業物聯網（IIoT）和自動駕駛等場景中，時間同步和低抖動通信至關重要。本章探討瞭如何將異構計算節點與時間敏感網絡（TSN）相結閤。討論瞭基於硬件加速的確定性數據處理流程，以及邊緣網關如何作為TSN流量的流量整形器和時間同步參考點。 第九章：異構安全機製與可信執行環境（TEE） 邊緣設備麵臨更高的物理安全風險。本章探討瞭在異構處理器上實現安全隔離的技術。內容包括：硬件信任根的建立、針對不同加速器（如GPU內核）的側信道攻擊防護、以及如何安全地管理敏感數據和加密密鑰，確保算法執行過程的保密性和完整性。 第十章：未來展望：軟硬件協同演進的路綫圖 本書的最後一部分展望瞭未來邊緣異構計算的發展趨勢，包括類腦計算（Neuromorphic Computing）的集成、可編程芯片（如Chiplet架構）對異構係統的重塑，以及在量子計算對經典計算産生影響後，邊緣架構可能需要做齣的適應性調整。 --- 目標讀者 本書適閤於： 從事嵌入式係統、高性能計算（HPC）和領域專用架構（DSA）的研究人員。 軟件定義網絡（SDN）與網絡功能虛擬化（NFV）的工程師。 希望優化其AI推理或數據處理流程以適應資源受限環境的開發者。 計算機體係結構、電子工程及相關專業的高年級本科生和研究生。 本書通過詳實的案例分析和工程實踐建議，旨在幫助讀者構建齣既高效能又具成本效益的下一代邊緣計算解決方案。
著者信息
作者簡介
盧廷昌
現職
國立陽明交通大學光電係 講座教授
穩懋半導體 首席科學傢
榮譽
OPTICA Fellow、SPIE Fellow、全球前2％頂尖科學傢、科技部傑齣研究獎、傑齣電機工程教授獎
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係 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係 講座教授
穩懋半導體 首席科學傢
榮譽
OPTICA Fellow、SPIE Fellow、全球前2％頂尖科學傢、科技部傑齣研究獎、傑齣電機工程教授獎
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係 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
圖書目錄
第一章 垂直共振腔麵射型雷射的發展
1.1 雷射發展歷史
1.2 麵射型雷射發展歷程
1.3 麵射型雷射之優點
1.4 麵射型雷射初期研發進展
1.5 可見光麵射型雷射
1.6 長波長麵射型雷射
1.7 多波長與可調波長麵射型雷射
1.8 短波長麵射型雷射
參考資料
第二章 半導體雷射基本操作原理與結構
2.1 雙異質接麵
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齣特性
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 垂直共振腔麵射型雷射之特性
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 高速雷射調製之設計
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 大信號調製之數值解
4.3 線寬增強因子與啁啾
4.3.1 頻率啁啾與頻率調製
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 摺射率波導
5.1.3 離子佈植法
5.1.4 氧化侷限法
5.2 麵射型雷射製程技術
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異質接麵／量子井麵射型雷射
6.1.2 InGaAs量子井麵射型雷射
6.1.3 InGaAsN量子井麵射型雷射
6.1.4 InAs量子點麵射型雷射
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 麵射型雷射陣列
6.3.2 多接麵麵射型雷射
6.3.3 下發光麵射型雷射
6.3.4 可定址麵射型雷射陣列
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 混閤式氮化鎵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 麵射型雷射發展歷程
1.3 麵射型雷射之優點
1.4 麵射型雷射初期研發進展
1.5 可見光麵射型雷射
1.6 長波長麵射型雷射
1.7 多波長與可調波長麵射型雷射
1.8 短波長麵射型雷射
參考資料
第二章 半導體雷射基本操作原理與結構
2.1 雙異質接麵
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齣特性
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 垂直共振腔麵射型雷射之特性
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 高速雷射調製之設計
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 大信號調製之數值解
4.3 線寬增強因子與啁啾
4.3.1 頻率啁啾與頻率調製
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 摺射率波導
5.1.3 離子佈植法
5.1.4 氧化侷限法
5.2 麵射型雷射製程技術
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異質接麵／量子井麵射型雷射
6.1.2 InGaAs量子井麵射型雷射
6.1.3 InGaAsN量子井麵射型雷射
6.1.4 InAs量子點麵射型雷射
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 麵射型雷射陣列
6.3.2 多接麵麵射型雷射
6.3.3 下發光麵射型雷射
6.3.4 可定址麵射型雷射陣列
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 混閤式氮化鎵VCSEL
7.4.2 介電質氮化鎵VCSEL
7.4.3 HCG氮化鎵VCSEL
參考資料
圖書序言
- ISBN：9786263666443
- 規格：平裝 / 296頁 / 19 x 26 x 1.3 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 2版
- 齣版地：颱灣
- 本書分類：專業/教科書/政府齣版品> 電機資訊類> 光電
圖書試讀
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，從大規模城市到國傢的封鎖，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瞭。在此期間，數位科技扮演瞭人們為瞭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更開啟瞭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。在此版本中更正瞭這幾年來所發現而纍積到目前的錯誤，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齣介紹VCSEL各方麵技術的書籍，也希望讀者能不吝迴饋與指教本書仍可能存在的謬誤。
最後，非常感謝五南齣版社對此書的再版，作者盧廷昌要感謝國立陽明交通大學光電係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傢的我、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係諾斯洛普講座劉佳明教授在齣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年首次成功製作齣垂直共振腔麵射型雷射（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。麵射型雷射也在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世紀初齣現網路泡沫化危機，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緻許多原先從事麵射型雷射研發生產製造的廠商相繼終止投資，並麵臨部門裁撤甚至被購併的危機。此時開始有廠商將麵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麵也逐漸需要仰賴麵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麵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麵射型雷射主動光源的3D景深辨識係統，瞬間將麵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，目前麵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麵射型雷射技術研發，在過去20幾年來已經纍積相當豐碩的研究成果與量產經驗。目前在麵射型雷射領域已經建立完整的上遊磊晶成長、中遊晶粒製造以及下遊封裝模組的產業鏈，所欠缺的部分環節在於最上遊的研發人纔培育以及最後段的產品齣海口係統應用端，這也是附加價值最大的一環，因此為瞭提升麵射型雷射產業整體競爭力，有必要吸引更多優秀人纔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瞭解麵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，除瞭可以幫助讀者在研讀時易於瞭解章節的重點外，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，第一章介紹麵射型雷射發展歷程，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雙異質接麵的操作特性；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，列齣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齣特性。第三章針對麵射型雷射結構設計考量，主要於介紹垂直共振腔麵射型雷射的原理、設計、結構與發展現況，其中包含麵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麵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，來瞭解雷射操作特性隨時間變化的動態行為。依受到外部調製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齣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係統因為載子濃度與光子密度的速率方程式互相耦閤所產生的共振現象，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製響應的頻寬，接著再介紹當半導體雷射操作在大電流或是高雷射輸齣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製響應頻寬的影響，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齣的原因以及眼圖的概念。而在大信號分析的介紹中，會衍伸齣所謂的雷射輸齣信號啁啾的現象，為瞭說明這個現象，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，接著就會推導齣半導體雷射光在頻譜量測中得到的發光線寬，以瞭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
泛應用的砷化鎵係列材料麵射型雷射製程技術，特別是選擇性氧化麵射型雷射製程技術介紹；第六章探討長波長麵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麵射型雷射發展。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闆，因此在磊晶成長高品質氮化鎵薄膜始終麵臨瞭高缺陷密度的問題，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，並且已有商品化的齣現，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闆與高反射率的氮化鎵DBR反射鏡製作睏難，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年齣版的《半導體雷射導論》以及2010年齣版的《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，隻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，纔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係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！本書的完成經歷瞭許多人的參與協助，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係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係的同仁們的支持與協助，而博士班的學生祖齊、振庭在藍光麵射型雷射、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閤計畫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電機係王康隆院士與史丹佛大學電機係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
國立交通大學光電係特聘教授兼係主任
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，從大規模城市到國傢的封鎖，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瞭。在此期間，數位科技扮演瞭人們為瞭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更開啟瞭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。在此版本中更正瞭這幾年來所發現而纍積到目前的錯誤，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齣介紹VCSEL各方麵技術的書籍，也希望讀者能不吝迴饋與指教本書仍可能存在的謬誤。
最後，非常感謝五南齣版社對此書的再版，作者盧廷昌要感謝國立陽明交通大學光電係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傢的我、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係諾斯洛普講座劉佳明教授在齣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年首次成功製作齣垂直共振腔麵射型雷射（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。麵射型雷射也在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世紀初齣現網路泡沫化危機，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緻許多原先從事麵射型雷射研發生產製造的廠商相繼終止投資，並麵臨部門裁撤甚至被購併的危機。此時開始有廠商將麵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麵也逐漸需要仰賴麵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麵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麵射型雷射主動光源的3D景深辨識係統，瞬間將麵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，目前麵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麵射型雷射技術研發，在過去20幾年來已經纍積相當豐碩的研究成果與量產經驗。目前在麵射型雷射領域已經建立完整的上遊磊晶成長、中遊晶粒製造以及下遊封裝模組的產業鏈，所欠缺的部分環節在於最上遊的研發人纔培育以及最後段的產品齣海口係統應用端，這也是附加價值最大的一環，因此為瞭提升麵射型雷射產業整體競爭力，有必要吸引更多優秀人纔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瞭解麵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，除瞭可以幫助讀者在研讀時易於瞭解章節的重點外，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，第一章介紹麵射型雷射發展歷程，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雙異質接麵的操作特性；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，列齣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齣特性。第三章針對麵射型雷射結構設計考量，主要於介紹垂直共振腔麵射型雷射的原理、設計、結構與發展現況，其中包含麵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麵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，來瞭解雷射操作特性隨時間變化的動態行為。依受到外部調製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齣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係統因為載子濃度與光子密度的速率方程式互相耦閤所產生的共振現象，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製響應的頻寬，接著再介紹當半導體雷射操作在大電流或是高雷射輸齣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製響應頻寬的影響，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齣的原因以及眼圖的概念。而在大信號分析的介紹中，會衍伸齣所謂的雷射輸齣信號啁啾的現象，為瞭說明這個現象，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，接著就會推導齣半導體雷射光在頻譜量測中得到的發光線寬，以瞭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
泛應用的砷化鎵係列材料麵射型雷射製程技術，特別是選擇性氧化麵射型雷射製程技術介紹；第六章探討長波長麵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麵射型雷射發展。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闆，因此在磊晶成長高品質氮化鎵薄膜始終麵臨瞭高缺陷密度的問題，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，並且已有商品化的齣現，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闆與高反射率的氮化鎵DBR反射鏡製作睏難，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年齣版的《半導體雷射導論》以及2010年齣版的《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，隻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，纔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係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！本書的完成經歷瞭許多人的參與協助，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係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係的同仁們的支持與協助，而博士班的學生祖齊、振庭在藍光麵射型雷射、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閤計畫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電機係王康隆院士與史丹佛大學電機係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
國立交通大學光電係特聘教授兼係主任
尤信介
國立交通大學照明與能源光電研究所助理教授
用戶評價
评分
這本書的深度和廣度真是令人印象深刻，它成功地將復雜的物理概念與實際應用場景編織在一起，讓我對這項關鍵技術有瞭更為係統和全麵的認識。特彆是對於那些希望深入理解VCSEL工作機製的工程師和研究人員來說，這本書無疑是一份寶貴的資源。作者在闡述光發射原理時，使用瞭大量清晰的圖示和詳盡的數學推導，這種嚴謹的學術態度保證瞭內容的前沿性和準確性。讀完後，我感覺自己對半導體激光器的能帶結構、量子限製效應以及腔體設計如何影響輸齣特性等核心問題有瞭更紮實的把握。書中對不同調製方式和驅動電路的剖析也極具參考價值，這直接關係到VCSEL在高速通信和傳感領域中的實際部署與性能優化。我尤其欣賞作者在章節末尾設置的“深入探討”部分，它往往能引齣一些尚未完全解決的研究熱點，激發讀者進一步探索的興趣。
评分這本書的價值在於它成功地架設瞭一座堅實的橋梁，連接瞭基礎物理學和尖端工程應用。我發現自己對光腔模式、縱模選擇以及溫度漂移補償機製的理解得到瞭質的飛躍。書中對VCSEL的製造工藝流程描述得非常細緻，從外延生長到刻蝕鈍化，每一步的關鍵控製點都清晰可見，這對於理解商業化産品與理論模型的偏差至關重要。在我看來，這本書的語言風格嚴謹而不失溫度，它既尊重科學的精確性，又照顧到讀者的接受能力，避免瞭過度晦澀的行話堆砌。它不是一本快速通讀就能掌握的書，而是需要反復研磨、並在實際工作中對照查閱的“字典”和“指南”。它的內容深度遠超一般綜述性文章，是真正沉下心來做研究的必備參考書目。
评分閱讀這本書的過程，簡直是一次從微觀粒子世界到宏觀係統集成的思維跳躍之旅。它不僅僅是講解瞭VCSEL本身，更深入探討瞭它如何融入整個光通信或傳感係統中去“工作”。例如，它對光子晶體腔的設計如何影響垂直輻射特性，以及錶麵發射帶來的便於大規模陣列集成的優勢，都做瞭深入且富有洞察力的分析。我尤其欣賞作者在處理不同應用場景時，切換視角的能力——一會兒是關注量子效率的物理學傢，一會兒又是關注成本和良率的器件工程師。這種多維度的視角使得整本書的論述飽滿而立體。對於希望從原理層麵理解為什麼選擇VCSEL而非EEL（邊發射激光器）來解決特定問題的讀者，這本書提供瞭無可辯駁的論據和詳實的性能對比數據。
评分這本書的結構設計非常適閤自學者，它不是那種堆砌公式和理論的枯燥教科書，而更像是一位經驗豐富的導師在循循善誘。從基礎的光電效應講起，逐步過渡到器件的電流注入和光子産生，邏輯鏈條非常順暢。對於我這種非專業背景齣身，但對光電技術有濃厚興趣的讀者來說，前幾章的鋪墊至關重要。作者沒有迴避技術細節，但錶達方式卻異常清晰易懂，很多時候，僅僅通過一個精妙的比喻，原本晦澀的物理過程就豁然開朗瞭。書中對VCSEL在光互連、3D傳感（如ToF）以及生物醫學成像中的應用案例分析，提供瞭極好的上下文語境，讓人明白這些理論知識的價值所在。唯一的遺憾是，某些特定製造工藝的微小差異對器件性能的實際影響，或許可以再增加一些實際的故障排除案例來佐證，那會讓實踐性更強一些。
评分我必須說，這是近年來我閱讀過的關於半導體激光器領域中，技術更新速度最快、內容覆蓋麵最全麵的專業書籍之一。第二版顯然吸取瞭第一版的經驗，在數據更新和新技術的引入上做得非常齣色。特彆是關於VCSEL陣列的集成技術、高帶寬調製器的最新進展，以及在光縴耦閤效率優化方麵的最新研究成果，都有著詳盡的介紹。書中對噪聲模型和可靠性測試標準的討論也達到瞭行業領先水平，這對於進行産品設計和長期穩定性評估的團隊來說，是無可替代的參考資料。我個人對其中關於非綫性效應補償的章節特彆感興趣，作者用一種非常務實的方式解釋瞭如何通過優化注入電流波形來改善信號質量，而不是停留在純粹的理論層麵。這本書無疑是當前光電子工程師案頭必備的工具書，每一次翻閱都能帶來新的啓發和解決問題的思路。
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