研究在大面積氧化侷限型之面射型雷射之橫向模態

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(1)國立交通大學光電工程研究所博士論文. 研究在大面積氧化侷限型之面射型雷射之橫向模態 Transverse Mode in Broad-Area Oxide-Confined Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser. 研究生：指導教授：. 寇人傑黃凱風潘犀靈. 教授教授. 中華民國九十二年七月 i.

(2) 研究在大面積氧化侷限型之面射型雷射之橫向模態 Transverse Mode in Broad-Area Oxide-Confined Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 研究生：寇人傑指導教授：黃凱風教授潘犀靈教授. Student： Ren-Jay Kou Advisor： Prof. Kai-Feng Huang Prof. Ci-Ling Pan. 國立交通大學光電工程研究所博士論文 A Dissertation Submitted to Institute of Electro-Optical Engineering College of Electrical Engineering and Computer Science National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Electro-optical Engineering July 2003 Hsinchu, Taiwan, Republic of China.. 中華民國九十二年七月 ii.

(3) 研究在大面積氧化侷限型之面射型雷射之橫向模態. 研究生：寇人傑. 指導教授：黃凱風教授潘犀靈教授. 國立交通大學光電工程研究所. 摘. 要. 我們量測了孔徑尺寸為 20 µm 的氧化侷限型之面射型雷射的橫向模態。量測項目則有橫向模態的近場、遠場分佈圖。由於雷射磊晶片的品質十分優良，使我們可以在連續波（CW）的狀態下，當注入電流由臨界電流（threshold current）一直到遠高於熱轉折點（thermal roll-over point）時都能夠持續地進行量測。在遠場分佈圖中，可以觀察到大面積的氧化侷限型之面射型雷射展現了非常複雜、如花朵一般，以及分岔的橫向模態分佈圖。此外，為了瞭解不同的導波機制（guiding mechanisms）對於橫向模態的影響，我們將孔徑尺寸 20 µm 氧化侷限型之面射型雷射的與質子怖植型之面射型雷射的橫向模態之間互相做了比較。由實驗的結果可以發現，非常不均勻的注入電流以及熱分佈使得大面積的氧化侷限型之面射型雷射傾向於選擇多重高階橫向模態。此外，由氧化層造成的邊界效應（boundary effect）也會影響的橫向模態的行為。由於這些機制造成了如花朵一般，以及分岔的遠場橫向模態分佈圖. iii.

(4) 的形成。. iv.

(5) Transverse Mode in Broad-Area Oxide-Confined Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Student: Ren-Jay Kou. Advisor: Prof. Kai-Feng Huang Prof. Ci-Ling Pan. Institute of Electrical-Optical Engineering National Chiao Tung University. ABSTRACT We present experimental studies on the transverse modal behaviour of oxide-confined Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL). The nearand far-field transverse mode patterns are investigated under CW pumping condition. The VCSEL with 20 µm diameter of the oxide apertures exhibits the complex flower-like and y-junction structured patterns in far-field images. A comparison between a 20 µm diameter aperture oxide-confined VCSEL and a proton-implanted VCSEL enables us to clearly distinguish the influence of different guiding mechanisms on the transverse modal behaviour. From the experimental results, we conclude that the VCSEL cavities can usually support many transverse modes, especially in large-diameter index-guided structures due to nonuniform carrier-concentration profile and temperature distribution. Furthermore, the boundary effect induced by oxidized layers strong influence the transverse modal behaviour of oxide-confined VCSELs. The combination of these mechanisms causes a strong tendency towards the emission of multi-high-order transverse mode which causes the formation of complex flower-like and y-junction structured transverse mode patterns.. v.

(6) 誌. 謝. 在漫長的七年中，在許多人的支持與鼓勵下，我才能堅持到最後，在此由衷的感謝所有幫助過我的人，謝謝你們。首先要感謝我的指導教授，黃凱風教授及潘犀靈教授在學術上的指導；感謝光環科技的潘金山博士、賴鴻慶及湯明璋在面射型雷射的製程上給予我相當多的幫助；感謝電物系的陳永富副教授及陳副教授的學生藍宇彬博士犧牲了自己許多寶貴的時間來協助我進行光學的量測，除此之外，也提供了許多寶貴的意見。感謝我的好友錸德科技的陳炳茂博士、中科院的程一誠博士、光電所的李兆逵以及我的學長中正大學的陳奇夆博士在研究方向和論文寫作方面給了我許多非常寶貴的建議；感謝中科院的劉孝平副組長及其夫人孔香琴女士在這段時間對我的照顧與鼓勵。最要感謝的是劉乃瑄小姐一直給我非常多的支持與鼓勵，也不辭辛勞的在英文論文寫作上給了我非常多的修正與幫助，此外，在英文論文寫作的架構及方向上也都提供了十分寶貴的意見。最後要感謝的是一直支持我的家人，最辛苦的就是我的母親，為了讓我在經濟上不虞匱乏，非常辛勞的工作使我能夠專心在我的研究上。最最遺憾的是，對我期望最深的父親在還沒來得及參加我的畢業典禮前，就先離開了我們，希望他天上有知，能得到安慰。僅以此書獻給我生命中兩位最重要的女性：劉乃瑄小姐及我的母親，願榮耀歸於妳們。. vi.

(7) vii.

(8) Table of Contents 1 Introduction … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 1 .. References … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ............... 4 .. 2 Experiment … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2.1 Introduction … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . 2.2 Fabrication of Oxide-Confined VCSEL … … … … … … … … ... 2.2.1 Processing of Oxide-Confined VCSEL … … … … … … … … … 2.2.2 Apparatus and Method of Selective Wet Oxidation … … … … . 2.2.3 Oxidation Rate Dependencies … … … … … … … … … … … … .. 2.3 Structure of Oxide-Confined VCSEL … … … … … … … … … ... 2.4 Experimental Setup … … … … … … … … … … … … … … … … ... References … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... .. 3 Experimental Results … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3.1 Introduction … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 3.2 20 µm Aperture Diameter Oxide-Confined VCSEL … … … … 3.3 Comparison Between Oxidized and Implanted VCSEL … … .. 3.3.1 Structure of Proton-Implanted VCSEL … … … … … … … … … 3.3.2 20 µm Aperture Diameter Proton-Implanted VCSEL … … … .. References … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... ... 6 6 7 7 9 10 12 13 15. 23 23 23 25 25 27 30. 4 Numerical Simulation of Y-Junction Structured Pattern … … … … … .. 38 4.1 Introduction … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 38 viii.

(9) . 4.2 Numerical Model using Laguerre-Gaussian Mode … ...… … ... 4.2.1 Theory of Laguerre-Gaussian Mode … … … … … … … … … … . 4.2.2 Numerical Results … … … … … … … … … … … … … … … … … . 4.3 Guiding Mode of Cylindrical Cavity … … … … ...… … … … … . 4.3.1 Theory … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . .. 4.3.2 Numerical Results … … … … … … … … … … … … … … … … … . 4.4 Discussions … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. . References … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... ... 38 38. 5 Conclusions … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . 5.1 Introduction … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 5.2 Inhomogeneous Carrier Distribution … … … … … … … … … … 5.3 Thermal Effects … … … … … … … … … … … … … … … … … … 5.4 Boundary Effects … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 5.5 Y-Junction Structured Pattern … … … … … … … … … … … … .. 5.6 Summary … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. . References … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... ... 59. ix. 40 41 41 47 47 50. 59 59 60 62 63 64 66.

(10) Figure Captions Chapter 2 Fig. 2-1 Cross-section sketch of a selectively oxidized VCSEL composed of GaAs/AlGaAs multilayers and buried oxide layers. The highest Al-containing layers on each side of the optical cavity extend further into the mesa than the other oxidized layers, forming an oxide aperture at the mesa center… … … .… … … … ..… … … … ...19 Fig. 2-2 Graphic presentation of the processing steps for the oxidized VCSEL… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ......2 0 Fig. 2-3 Apparatus for the reproducible wet oxidation of AlGaAs alloys which employs mass flow gas controllers, a constant temperature water bubbler, and a three zone furnace.......................................21 Fig. 2-4 Methods used to obtain near-field (top) and far-field (bottom) intensity distributions. A lens of high numerical aperture was used to focus the highly divergent emission onto a distant CCD array to obtain a magnified image. For the far-field, a piece of paper was mounted to act as a diffusion screen, and the scattered light imaged by a CCD camera… … … … … … … … … … … … … … … .22. Chapter 3 Fig. 3-1 Light output vs. current curve of 20 µm diameter oxide-confined VCSEL under CW operation at room temperature… … … … … ...32 Fig. 3-2 Photographs of near-field patterns of 20 µm diameter oxide-confined VCSEL at injection currents of (a) 10.5 mA, (b) 13.4 mA, (c) 20.0 mA, (d) 22.3 mA, (e) 23.0 mA and (f) 23.3 mA… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3 3 x.

(11) Fig. 3-3 Photographs of far-field patterns of 20 µm diameter oxide-confined VCSEL at injection currents of (a) 10.5 mA, (b) 13.4 mA, (c) 20.0 mA, (d) 22.3 mA, (e) 23.0 mA and (f) 23.3 mA… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3 4 Fig. 3-4 Cross-section sketch of a planar proton-implanted VCSEL with stacked implantation used for electrical isolation… … … … … … 35 Fig. 3-5 Light output vs. current curve of 20 µm diameter proton-implanted VCSEL under CW operation at room temperature… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...36 Fig. 3-6 Photographs of far-field patterns of 20 µm diameter proton-implanted VCSEL at injection currents of (a) 4 mA, (b) 17 mA, (c) 24 mA, (d) 34 mA, (e) 41 mA and (f) 59 mA… … … … .37. Chapter 4 Fig. 4-1 Photographs of experimental near-field patterns of 20 µm diameter oxidized VCSEL at injection currents of (a) 22.3 mA, (b) 23.3 mA… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 51 Fig. 4-2 Spectral data of 20 µm diameter oxide-confined VCSEL at injection currents of (a) 22.3 mA and (b) 23.3 mA… … … … … ..52 Fig. 4-3 Photographs of experimental far-field patterns of 20 µm diameter oxidized VCSEL at injection currents of (a) 22.3 mA, (b) 23.3 mA… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 5 3 Fig. 4-4 Computer calculated near-field patterns corresponding to Fig. 4-1 for 20 µm diameter oxidized VCSEL… .… … … … … … … … ......54 Fig. 4-5 Computer calculated far-field patterns corresponding to Fig. 4-2. xi.

(12) for 20 µm diameter oxidized VCSEL… … … … … … … … … … ...55 Fig. 4-6 First three eigen-values and corresponding eigen-functions with (a) n = 0, m = 0; (b) n = 0, m = 1; (c) n = 0, m = -1; (d) n = 0, m = 2; (e) n = 0, m = -2; (f) n = 1, m = 0… … … … … … … … … .........56 Fig. 4-7 Computer calculated near-field patterns corresponding to Fig. 4-1 for 20 µm diameter oxidized VCSEL.… … … … … … … … … ......57 Fig. 4-8 Computer calculated far-field patterns corresponding to Fig. 4-2 for 20 µm diameter oxidized VCSEL… … … … … … … … … … ...58. xii.

(13)