高速調(diào)制半導(dǎo)體雷射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從（4-40）式我們知道，要達(dá)到高的弛豫頻率，光子生命期要小而閾值電流要低，然而這兩個(gè)因素是互相沖突的，因?yàn)楣庾由谌糇冃。瑒t閾值增益變大，閾值電流隨之增大，為了達(dá)到良好的安協(xié)，我們通常會(huì)使用較短的共振腔長(zhǎng)搭配兩端較高的鏡面反射率。

由于使用量子井當(dāng)作主動(dòng)層結(jié)構(gòu)的微分增益較塊材（bulk）的主動(dòng)層結(jié)構(gòu)要高，然而在光學(xué)的考量上，使用量子井當(dāng)作主動(dòng)層結(jié)構(gòu)的光學(xué)局限較小，不僅會(huì)增加閾值增益使閾值電流變大，如（4-34）式還會(huì)降低弛豫頻率，因此在設(shè)計(jì)高速調(diào)制半導(dǎo)體雷射結(jié)構(gòu)時(shí)，通常會(huì)使用多重量子井為主動(dòng)層；此外，具有應(yīng)變（strain）的量子井，通常具有較大的微分增益，可以有效的提升弛豫頻率，然而成長(zhǎng)多重具有應(yīng)變的量子井時(shí)，需要考慮采用應(yīng)力補(bǔ)償層，以減少缺陷產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。

此外半導(dǎo)體雷射最好要設(shè)計(jì)成單一橫向模態(tài)操作，這是因?yàn)槎鄠€(gè)橫向模態(tài)操作會(huì)使得雷射共振腔中的光子數(shù)目被這些模態(tài)瓜分，使得每個(gè)橫向模態(tài)的光子數(shù)目相對(duì)減少，進(jìn)而降低了弛豫頻率，并會(huì)影響雷射頻率響應(yīng)的圖形。

由于VCSEL內(nèi)部存在著許多寄生電阻（R）、電容（C）與電感（L），這些寄生阻抗若設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)嚴(yán)重影響雷射的頻率響應(yīng)而被寄生的RC時(shí)間常數(shù)所限制。我們可以用集總電路（lumped circuit）元件的概念簡(jiǎn)化半導(dǎo)體雷射內(nèi)部的阻抗，其等效電路的模型如圖4-6（b）所示。在圖4-6（b）中，串聯(lián)電阻Rs的來源包括金屬與半導(dǎo)體界面的接觸電阻，異質(zhì)界面之間的接面電阻，以及披覆層與DBR中的半導(dǎo)體材料本身的電阻，尤其是DBR的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效降低串聯(lián)電阻。另外，在圖4-6（b）中串聯(lián)電容Cs的來源包括主動(dòng)層中在順向偏壓下的擴(kuò)散電容以及電極與絕緣層或再成長(zhǎng)層之間的電容，在設(shè)計(jì)高速雷射的結(jié)構(gòu)時(shí)，絕緣層最好要選擇低介電常數(shù)的材料或是厚度要增大以有效降低串聯(lián)電容。

VCSEL的總體頻率響應(yīng)要將RLC的效應(yīng)一并考慮進(jìn)去，一般而言電感的影響較小，因此通常只考慮RC的影響，由電阻與電容所形成的低通濾波的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

其中TRC=R.C。因此整體的頻率響應(yīng)要乘上（4-67）式成為：

高速VCSEL的阻抗若設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)限制雷射操作頻寬如圖4-7所示，此范例中雷射本身的弛豫頻率在5GHz，而RC時(shí)間常數(shù)為0.2 nsec，我們可以觀察到雷射的截止頻率提前在弛豫頻率之前出現(xiàn)，使得VCSEL的調(diào)制響應(yīng)被雷射結(jié)構(gòu)中的寄生阻抗所主宰。

當(dāng)外加信號(hào)的頻率愈來愈高，例如在10GHz以上時(shí)，輸入信號(hào)的時(shí)脈接近微波的型式，VCSEL本身已不能用集總電路元件的概念來處理，而必須看成是如圖4-6（a）所示的傳輸線（transmission line）模型。由于VCSEL的傳輸線損耗非常大，加上微波在此傳輸線中的相速度很小，使得電流從電極上注入的分布將會(huì)極為不均勻，為解決此微波分布的效應(yīng)，電極最好能設(shè)計(jì)成如圖4-8（a）的共平面波導(dǎo)（co-planar waveguide, CPW）結(jié)構(gòu)，并使用如圖4-8（b）的共平面波導(dǎo)探針測(cè)試系統(tǒng)，在半導(dǎo)體雷射的共振腔中央下探，以減少因微波分布效應(yīng)所造成注入電流分布不均勻的現(xiàn)象。

要獲得高弛豫頻率的其中一個(gè)方法是在雷射共振腔中注入高光子密度，若VCSEL的頻寬不會(huì)受限于前面所提到的寄生阻抗的效應(yīng)，那么通常就會(huì)被限制于在高功率操作下受到產(chǎn)熱過大的影響使得雷射輸出功率發(fā)生飽和甚至功率下降而造成的光子密度變低的現(xiàn)象，我們?cè)谶@里要強(qiáng)調(diào)的是如何設(shè)計(jì)讓產(chǎn)熱能適當(dāng)?shù)囊萆⒊鋈?，使得雷射輸出功率所受到的影響減到最少。為達(dá)到此目的，我們可以將熱的問題區(qū)分為雷射的熱阻與產(chǎn)熱，首先是雷射整體結(jié)構(gòu)的熱阻（thermal resistance）要小，這和雷射材料的選擇以及采用的結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如使用半導(dǎo)體材料的熱阻就比一般的絕緣材料要低，二元化合物的熱導(dǎo)系數(shù)通常就會(huì)比三元或四元化合物要高，將磊晶層那面的結(jié)構(gòu)封裝在散熱片上也會(huì)比將n-型基板封裝在散熱片上好。接下來是在雷射結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)熱要減少，VCSEL中最主要的兩個(gè)產(chǎn)熱區(qū)域是主動(dòng)層與氧化局限孔徑中的高電阻區(qū)，若要減少產(chǎn)熱，我們就要減少主動(dòng)層中的非輻射復(fù)合的機(jī)率，并將電阻降低以減少I2R的功率消耗，以上這些作法都可以有效降低主動(dòng)層的溫度，增加雷射的輸出功率，并得以提高雷射的操作頻寬。

到目前為止，我們都忽略了載子的傳輸效應(yīng)，并假設(shè)載子一旦從電極注入就會(huì)立刻傳輸?shù)街鲃?dòng)層中，然而這樣的假設(shè)在具有光學(xué)局限層的量子井雷射中需要修正。這是因?yàn)樵谌鐖D4-9的分開局限異質(zhì)接面量子井雷射中，載子從披覆層先注入到光學(xué)局限層中，再?gòu)墓鈱W(xué)局限層注入量子井，這樣間接注入的過程需要花費(fèi)時(shí)間，使得雷射的調(diào)制響應(yīng)將出現(xiàn)如（4-67）式中的低通轉(zhuǎn)移函數(shù)，此低通轉(zhuǎn)移函數(shù)的特征時(shí)間常數(shù)即和載子從光學(xué)局限層注入量子井的時(shí)間常數(shù)有關(guān)，若光學(xué)局限層較厚，此導(dǎo)體雷射的調(diào)制響應(yīng)會(huì)被此低通轉(zhuǎn)移函數(shù)所限制［9］。另一方面，載子不僅會(huì)從光學(xué)局限層注入量子井，還有可能會(huì)從量子井逃脫到光學(xué)局限層，這樣的載子逃脫現(xiàn)象會(huì)等效的降低主動(dòng)層的微分增益，使得弛豫頻率下降，同時(shí)也會(huì)等效增加K因子，使得阻尼系數(shù)增大，而讓雷射的截止頻率降低。