第二章 光激發式半導體雷射系統
2.1 光激發式半導體雷射系統導論
M. Kuznetsov, F.Hakimi 和 A. Mooradian 在 1997 年發展出了光 激 發 式 垂 直 外 共 振 腔 面 射 型 雷 射 (optically pumped vertical-external-cavity surface emitting laser) [1-2]，將高功率半導體雷 射技術帶向了一個新的層面。這種半導體雷射技術改善了原本半導體 雷射散熱不良，能量損耗過高的缺點，也同時融合了在固態雷射系統 裡才有的高能量，雷射發散角小的優點，一般而言，要達到這種雷射 光的光束品質，是固態雷射的增益介質才能擁有的特性。然而，光激 發式半導體雷射同時 兼具了半導體雷射中波長可因增益介質的設計不 同而改變的優勢，因此不管是在工業上、商業上或是學術應用的領域 上有了廣泛的應用。
半導體增益介質之於固態雷射的增益介質的不同是，半導體所形 成 的 的 增 益 介 質 是 由 兩 面 散 式 布 拉 格 反 射 鏡 (Distributed Bragg Reflection)帄 行 於 一 個 晶 元 反 應 區 的 表 面 ， 此 反 應 區 是 由 一 到 數 個 量 子井所構成，使雷射光帶存在於其中。一個帄面的 散式布拉格反射鏡 是由幾層不同高低折射率的透鏡所組成， 每層透鏡的厚度設計為四分 之一的雷射波長，並且在每層都鍍上反射率超過 99%的反射膜，其目 的是為了帄衡在垂直外共振腔面射型雷射中增益區域的短軸長，因此 高反射率的透鏡是必要的。在一般的垂直外共 振腔面射型雷射中，通 常會在較高和較低的兩個透鏡分別鍍上了 p 型材料和 n 型材料，形成 一個接面二極體，而在較為複雜的結構中，p 型和 n 型區域可能會埋 在透鏡中，使較複雜的半導體在反應區上加工做電路的連接，並除去
在 散 式 布 拉 格 反 射 鏡 結 構 中 電 子 能 量 的 耗 損 。 在 散 熱 的 系 統 的 設 計 上，散式布拉格反射鏡直接貼附在散熱座上以達到良好的散熱系統，
並且有效的減少了因為能量聚集產生熱而衍生的熱透鏡效應，達到能 量增強的效果
[3-5]。
圖 2-1 光激發式半導體雷射的基本結構。
圖 2-2 光激發式半導體雷射架構圖及半導體雷射晶片的結構圖。
本 論 文 使 用 的 垂 直 面 射 型 雷 射 增 益 層 的 結 構 是 由 數 個 量 子 井 以 週期性的方式排列而成，並且架構在砷化鎵的基材 (GaAs-Base)上，在 最外部加上一層保護層(capping layer)防止氧化。此系統以高功率的二 極體雷射當激發源，透過微透鏡聚焦至量子井材料上，使得位於量子 能障(barrier)中的電子電動對吸收能量躍遷至激發態，大量的激發態電 子電動對遷移至量子井過程中，形成了粒子反轉 (population Inversion) 的現象，進而以產生光子的形式釋放能量，達到增益介質的效果，這 種產生光子的形式稱為光激發螢光 (photoluminescence)，此時螢光利用 散式布拉格反射鏡搭配輸出鏡形成雷射共振腔，再利用共振腔儲存累 積能量，產生雷射。
圖 2-3 雷射產生的機制。
以半導體為增益介質通常在結構上都會設計成量子井的形式 ，而
Substrate Multi-layer mirrors (DBRs)
Laser optical standing wave
Surface barrier
Cap layer
Pumping absorbing region λ /2
Quantum wells
Energy
Semiconductor air
Substrate Multi-layer mirrors (DBRs)
Laser optical standing wave
Surface barrier
Cap layer
Pumping absorbing region λ /2
Quantum wells
Energy
Semiconductor air
Fig4.1.2 Bandgap diagram and operation principle of the OP-VECSEL Substrate Multi-layer
mirrors (DBRs)
Laser optical standing wave
Surface barrier
Cap layer
Pumping absorbing region λ /2
Quantum wells
Energy
Semiconductor air
Substrate Multi-layer mirrors (DBRs)
Laser optical standing wave
Surface barrier
Cap layer
Pumping absorbing region λ /2
Quantum wells
Energy
Semiconductor air
Fig4.1.2 Bandgap diagram and operation principle of the OP-VECSEL
圖 2-4 位能井以週期性的方式排列，排列週期通常為雷射波長的二分 之一。
光 激 發 式 半 導 體 雷 射 最 大 的 優 勢 在 於 此 系 統 可 經 由 不 同 的 半 導 體增益介質的設計，而產生不同的波長，其中關鍵的技術有二，一是 基材的選擇，另一個則是量子井的設計。在基材的選擇上，目前具有 比較成熟技術的基材有兩種，一種是以砷化鎵為基底 (GaAs Based)的 基材，另一種則是以硼化銦為基底 (InP Based)的基材。通常砷化鎵為 基底(GaAs Based)的基材可以藉由混合不同材料及調配不同濃度的方 式，產生從 800nm 到 1.5μm 的雷射波長，而以砷化鎵為基底(GaAs Based)的基材則是產生大於 1.3μm 的雷射波長。圖 2-5 所示為在不同 的基材下混合不同材料及調配不同濃度可以產生不同雷射波長的對應 圖表
[8-17]。
圖 2-5 不同的基材下混合不同材料及濃度而產生不同雷射波長的對應 圖表。
而在量子井的設計上面，其原理在改變 量子井的寬度，及經由製 程 上 的 控 制 進 而 改 變 量 子 井 中 的 能 階 態 ， 而 達 到 可 以 微 調 雷 射 的 波 長，但是這種方式只能微調雷射的波長，真正雷射波長 區段的選擇還 是取決於基材及材料混合的濃度
[18-21]。
由這兩種關鍵技術我們可以得知，以半導體為增益介質的雷射系 統其雷射波長的範圍可以從 870nm 到 1.5μm，如果再搭配上雷射倍 頻技術，便可以使產生波長從 355nm 到 577nm 的可見光雷射波段，
相較於固態雷射增益介質的特定能階，如此一來，光激發式的半導體 雷射系統在應用上將可以擁有更多選擇，並且突破在固態雷射技術上 某些特定波長能量無法提升的缺點，擴大 其應用的範圍及領域。表 2-1 所示是近年來利用不同三五族的化合材料設計而成產生的光激發半導 體雷射，其波長的分佈擁有更多的選擇性
[22-25]。
GaN-based GaAs-based
GaSb-based InP-based
IEEE PTL 2004 0.6W at -18oC
1064nm 2.33μ m
AlGaAsSb
Cryst Growth 2004 8.5mW
Opt Comm 2004 45mW
980nm 1550nm
InGaAsP
Electronic Lett 2004 0.612W at 5oC
810nm 1320nm
GaInNAs
APL 2006 10W(CW) at RT
808nm
IEEE PTL 2003 523mW
660nm 830-860nm
AlGaAs
Opt Express 2005 390mW
IEEE PTL 2004 0.6W at -18oC
1064nm 2.33μ m
AlGaAsSb
Cryst Growth 2004 8.5mW
Opt Comm 2004 45mW
980nm 1550nm
InGaAsP
Electronic Lett 2004 0.612W at 5oC
810nm 1320nm
GaInNAs
APL 2006 10W(CW) at RT
808nm
IEEE PTL 2003 523mW
660nm 830-860nm
AlGaAs
Opt Express 2005 390mW