高速调制半导体雷射结构设计

从（4-40）式我们知道，要达到高的弛豫频率，光子生命期要小而阈值电流要低，然而这两个因素是互相冲突的，因为光子生命期若变小，则阈值增益变大，阈值电流随之增大，为了达到良好的安协，我们通常会使用较短的共振腔长搭配两端较高的镜面反射率。

由于使用量子井当作主动层结构的微分增益较块材（bulk）的主动层结构要高，然而在光学的考量上，使用量子井当作主动层结构的光学局限较小，不仅会增加阈值增益使阈值电流变大，如（4-34）式还会降低弛豫频率，因此在设计高速调制半导体雷射结构时，通常会使用多重量子井为主动层；此外，具有应变（strain）的量子井，通常具有较大的微分增益，可以有效的提升弛豫频率，然而成长多重具有应变的量子井时，需要考虑采用应力补偿层，以减少缺陷产生的机会。

此外半导体雷射最好要设计成单一横向模态操作，这是因为多个横向模态操作会使得雷射共振腔中的光子数目被这些模态瓜分，使得每个横向模态的光子数目相对减少，进而降低了弛豫频率，并会影响雷射频率响应的图形。

由于VCSEL内部存在着许多寄生电阻（R）、电容（C）与电感（L），这些寄生阻抗若设计不当，将会严重影响雷射的频率响应而被寄生的RC时间常数所限制。我们可以用集总电路（lumped circuit）元件的概念简化半导体雷射内部的阻抗，其等效电路的模型如图4-6（b）所示。在图4-6（b）中，串联电阻Rs的来源包括金属与半导体界面的接触电阻，异质界面之间的接面电阻，以及披覆层与DBR中的半导体材料本身的电阻，尤其是DBR的结构复杂，若经优化设计可以有效降低串联电阻。另外，在图4-6（b）中串联电容Cs的来源包括主动层中在顺向偏压下的扩散电容以及电极与绝缘层或再成长层之间的电容，在设计高速雷射的结构时，绝缘层最好要选择低介电常数的材料或是厚度要增大以有效降低串联电容。

VCSEL的总体频率响应要将RLC的效应一并考虑进去，一般而言电感的影响较小，因此通常只考虑RC的影响，由电阻与电容所形成的低通滤波的转移函数为：

其中TRC=R.C。因此整体的频率响应要乘上（4-67）式成为：

高速VCSEL的阻抗若设计不当，将会限制雷射操作频宽如图4-7所示，此范例中雷射本身的弛豫频率在5GHz，而RC时间常数为0.2 nsec，我们可以观察到雷射的截止频率提前在弛豫频率之前出现，使得VCSEL的调制响应被雷射结构中的寄生阻抗所主宰。

当外加信号的频率愈来愈高，例如在10GHz以上时，输入信号的时脉接近微波的型式，VCSEL本身已不能用集总电路元件的概念来处理，而必须看成是如图4-6（a）所示的传输线（transmission line）模型。由于VCSEL的传输线损耗非常大，加上微波在此传输线中的相速度很小，使得电流从电极上注入的分布将会极为不均匀，为解决此微波分布的效应，电极最好能设计成如图4-8（a）的共平面波导（co-planar waveguide, CPW）结构，并使用如图4-8（b）的共平面波导探针测试系统，在半导体雷射的共振腔中央下探，以减少因微波分布效应所造成注入电流分布不均匀的现象。

要获得高弛豫频率的其中一个方法是在雷射共振腔中注入高光子密度，若VCSEL的频宽不会受限于前面所提到的寄生阻抗的效应，那么通常就会被限制于在高功率操作下受到产热过大的影响使得雷射输出功率发生饱和甚至功率下降而造成的光子密度变低的现象，我们在这里要强调的是如何设计让产热能适当的逸散出去，使得雷射输出功率所受到的影响减到最少。为达到此目的，我们可以将热的问题区分为雷射的热阻与产热，首先是雷射整体结构的热阻（thermal resistance）要小，这和雷射材料的选择以及采用的结构有关，例如使用半导体材料的热阻就比一般的绝缘材料要低，二元化合物的热导系数通常就会比三元或四元化合物要高，将磊晶层那面的结构封装在散热片上也会比将n-型基板封装在散热片上好。接下来是在雷射结构中的产热要减少，VCSEL中最主要的两个产热区域是主动层与氧化局限孔径中的高电阻区，若要减少产热，我们就要减少主动层中的非辐射复合的机率，并将电阻降低以减少I2R的功率消耗，以上这些作法都可以有效降低主动层的温度，增加雷射的输出功率，并得以提高雷射的操作频宽。

到目前为止，我们都忽略了载子的传输效应，并假设载子一旦从电极注入就会立刻传输到主动层中，然而这样的假设在具有光学局限层的量子井雷射中需要修正。这是因为在如图4-9的分开局限异质接面量子井雷射中，载子从披覆层先注入到光学局限层中，再从光学局限层注入量子井，这样间接注入的过程需要花费时间，使得雷射的调制响应将出现如（4-67）式中的低通转移函数，此低通转移函数的特征时间常数即和载子从光学局限层注入量子井的时间常数有关，若光学局限层较厚，此导体雷射的调制响应会被此低通转移函数所限制［9］。另一方面，载子不仅会从光学局限层注入量子井，还有可能会从量子井逃脱到光学局限层，这样的载子逃脱现象会等效的降低主动层的微分增益，使得弛豫频率下降，同时也会等效增加K因子，使得阻尼系数增大，而让雷射的截止频率降低。