详解VCSEL的温度效应

VCSEL相较于传统的边射型雷射而言，另一项重要的区分在于VCSBL具有很短的雷射共振腔。如图3-10（a） 结构所示，一般的边射型雷射由于具有较长的共振腔，因此模距（mode spacing=c/2nrL）非常小，这也导致雷射波长总是落在增盆频谱的峰值上，当元件温度随着注入电流增加而升高时，雷射波长亦会随着增益频谱的移动而往长波长红移，使得雷射的波长对于元件温度的变化相当敏感。然而对于VCSEL而言，其雷射共振腔的光学长度大约为雷射发光波长之数量级，因此共振腔中所容许的光学纵向模态间隔增加，有机会让增益频谱中只有一个纵向的光学模态存在，如图3-10（b）所示。在此情形下，虽然主动区的增益频谱会随着元件温度的增加而改变，但是雷射模态却是被增益频谱所涵盖的共振腔模态所决定。因此VCSEL的雷射波长就不容易随着元件温度的改变而产生变化，此为VCSEL作为光纤通讯光源的一项重要特性之一。

VCSEL由于具有非常短的雷射共振腔，因此本质上有许多特性与边射型雷射完全不同。由上面的介绍我们知道VCSBL通常只会有一个共振腔模态落于主动区的增益频谱中。因此当共振腔模态所对应的波长与增益频谱峰值所对应的波长存在差异时，便会影响VCSEL的特性［21］。图3-11（a） 表示VCSEL共振腔模态波长与增益频谱之间的相对关系［22］，由图中的关系可以推论，当共振腔模态波长落于增益频谱的峰值时，雷射会具有最小的阈值电流值；反之，雷射的阈值电流值就会增加。

对于一个Fabry-Perot光学共振腔而言，共振腔所能容许的共振波长与共振腔的长度直接相关，图3-11（b）表示一个经过特殊设计使晶片表面具有不同共振腔厚度的VCSEL雷射，而当点测晶片上不同位置时所得到的雷射阈值电流关系图。由于主动区量子井的增益频谱并不会随着晶片上的不同位置改变，因此雷射阚值电流会随着晶片上的不同位置而改变必然是由不同共振腔厚度所造成，这是由于晶片上不同位置改变了共振腔模态波长与增益频谱峰值之间的相对关系。

对于实际的应用而言，一般VCSEL在电激发操作下，元件的温度亦会逐渐升高，当温度升高时会导致共振腔模态波长与增益频谱都往长波长移动，然而其移动的机制与幅度并不相同。共振腔模态波长的红移主要是由于温度升高引起半导体材料的折射率改变；而增益频谱的红移主要是由于温度增加造成半导体能隙变小所导致。一般温度增加造成的共振腔模态波长红移大约为0.8 A/C；而增益频谱的红移大约为3.3 A/C［23］。因此，利用这种波长红移的不一致性，加上适当的共振腔模态波长与增益频谱的差异，实验上确实可以设计出在特定的温度范围下，雷射的阈值电流随着温度的变化几乎是无相关性的VCSEL，如图3-11（c）所示。而在实际的应用中，VCSBL操作环境的温度较高，因此主动层的增益频谱峰值的波长通常要较共振腔光学模态的波长要短，以弥补增益频谱峰值波长随着热效应所增加的波长，而达到最佳的雷射输出特性。