VCSEL与EEL的比较

相较于传统边射型半导体雷射的发展，垂直共握腔面射型雷射（VCSEL）的设计概念直到1979年首先被Iga等人提出。而Soda等人则在同年利用发光在1300 nm波段的InGaAsP-InP材料实际制作出第一个低温且脉冲操作的VCSEL。其后随着半导体材料布拉格及射镜（distributed Bragg reflector, DBR）的使用与改善，Ogura 和Wang等人在1987年首次成功制作出室温操作的GaAs面射型雷射［2］，随后Lee等人在1989年改善DBR的反射率到达约99.9%而成功制作出低阈值电流密度（Jtn，1.8 kA/Cm2）的VCSEL。半导体材料的DBR是用两种不同折射率的材料交互堆叠而成，其介面上能隙的不连续往往会造成电阻过大的情形发生，Geels等人在DBR介面上使用超晶格的方式减少能带不连续而降低操作电压以及阈值电流密度到0.6kA/Cm2［4］。接下来，VCSEL在电流与光学局限的结构上持续改善，其中氧化局限（oxide-confined）VCSEL［S］，使得阈值电流密度与操作特性更进一步获得优化，VCSEL的总功率转换效率可以达到57%以上［6］17］。现今，VCSEL已成为Gigabit乙太网路的主要光源，VCSEL的调变速度可以到达25 Gb/s以上［8］，此外许多不同发光波长的VCSBL已实际商品化，雷射滑鼠也是目前VCSEL的应用之一。另外，多波长VCSEL阵列或元件也可以应用到分波多工（wavelength division multiplexing, WDM）通讯系统上，例如使用MBE成长特性制作出的二维多波长阵列，或是使用微机电（MEMS）的方式来制作波长可调式的VCSEL［10］-［13］ 都已有相当不错的成果。

从元件结构的差异上比较，传统的边射型雷射和垂直共振腔面射型雷射结构如图3-1所示，由于传统的边射型雷射其楼截面方向上光学局限机制在垂直与平行异质接面方向上不同，故雷射光的远场发散角为椭圆型，造成与光纤耦合的困难。相反地，VCSBL在横截面方向上对光学的局限较小且成对称结构，因此具有低发散角的圆型雷射光点的特性，为光纤通讯的理想光源，除此之外，制作VCSBL的过程中，不需要用劈裂的方式来制作雷射共振腔，因此可以直接在未切过的晶圆上测试，具有提高制作元件的产量与降低制作成本的优点，而VCSEL的雷射反射镜直接由磊晶成长时制作，不像传统边射型雷射需要后续的晶片劈裂与侧向的镀膜，在制作上需要花费更高的时间与成本。

我们将图3-1（b）的VCSBL结构简化如图3-2所示，R1和R2分别为上下DBR的反射率，若不考虑穿透深度（penetration depth）的效应，则VCSBL的共振腔长L包括了P，N披覆层以及主动层厚度d，若主动层的吸收为aa，披覆层中的吸收为ac，由来回振荡模型中需保持一致性的原则，我们可以得到：

整理上式可得VCSEL的阈值增益为：

由于雷射光为上下来回振盗，雷射光在水平方向的强度分布会和主动层完全重叠，因此在（3-2）式的左边不需要再乘上光学局限因子Г，因为水平方向的Г=1。一般使用量子井或多重量子井的VCSEL，其主动层的厚度若为d=50nm，其共振腔长约500 nm，若aa=ac=10Cm-1，R1=R2=R，则阈值增益为

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由于镜面损耗的前置系数就高达2X10°，因此反射率R需要趋近于1才能使镜面损耗该项降下来，对一般GaAs的VCSEL，即使其材料增益系数达到2000Cm-1，DBR的反射率也必须要大于99%才能达到阈值增益。和边射型雷射相比，VCSBL的雷射光经过主动层的长度太短，需要高的反射率让雷射光能够尽量停留在共振腔内以达到阈值条件。