垂直共振腔面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）

垂直共振腔面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

雷射根據其光學共振腔的不同可分為兩類，一為側射型雷射，另一則為面射型雷射。此光學共振腔的配置方式為將二平行的反射鏡和主動層平面平行擺放，由於反射鏡和異質接面平行，反射鏡不適合使用劈裂的方式形成，因此為直接使用磊晶成長的方式製作，此成長的反射鏡通常是由二種折射率差異大的材料成對搭配反覆循環成長，當成長的對數越多時，反射鏡的反射率就越高，此種反射鏡稱為布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)，成長完下反射鏡後，才開始成長p-i-n雙異質結構形成主動層，接著再成長上反射鏡。

因此光學共振腔由二DBR提供，雷射光在光學共振腔中振盪的方向正好和主動層平面呈垂直，而雷射光通過DBR後，剛好是由磊晶成長的平面射出，因此這種半導體雷射又稱為垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)。 垂直共振腔的發光方向跟磊晶片的平面垂直，其共振腔的長度相當短，大約在1 μm以下，而側射型雷射共振腔約在300 μm以上，二相比較之下，垂直共振腔面射型雷射的光學共振腔屬於微共振腔，因此雷射光在VCSEL的共振腔來回振盪時並不會一直處於和主動層交會而有增益的情況，也就是共振腔的長度和光通過主動層的長度不相等，在這些情況下，VCSEL主動區的體積相當小，為了補償增益不足的缺點，VCSEL的二個由DBR構成的反射鏡之反射率就要非常高。但由於VCSEL的反射鏡皆可由磊晶成長直接形成，不需要另外進行劈裂的製程，加上VCSEL面發光的特性，使得VCSEL可在平面上形成二維陣列的發光源有很多的應用，而側射型雷射僅能在端面形成一維陣列的發光源。 而通常以一個波長的長度去設計面射型雷射的共振腔，這是因為需考量光子以及電子在空間上的侷限及耦合效果。由於側射型雷射的光束是從側邊發出，活性層橫向的增益會決定橫向及側向的模態(transverse and lateral modes)。由於側向的載子侷限太寬，而橫向的載子侷限太小，因此會造成近似橢圓的光場(field)輸出，使製造光源和光纖的耦合(coupling)不易，因為光纖耦合以圓形光場為主。VCSEL共振腔垂直較短，因此使得雷射光從表面輸出時會呈圓形對稱光束射出，且低光束分歧及發散角較小，可使得光纖耦合對準容易且耦合效率高，則可節省光纖對準的封裝成本。

參考資料：
1.半導體雷射導論　五南出版社　盧廷昌　黃興宗　2008
2. 氮砷化銦鎵面射型雷射光學特性之探討 邱千芳 2008 彰師大碩士論文