1
產業
編按：什麼是 VCSEL 呢？今（11/11）日，聯合報報導，因應 5G 時代到來、資料中心的需求增加，垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 應用需求長期看好，而近年來 光磊 ( 2340-TW ) 也積極轉型要切入VCSEL ，光磊提供的 光敏二極體 是 Apple Watch 傳感器最主要供應商，公司看好穿戴裝置的智慧醫療商機，搶下Apple Watch Series 6訂單。但VCSEL是什麼 呢？他的 應用 與 原理 又是如何？一起來看看。
以下正文開始
雷射二極體 的 構造
雷射二極體（LD）的構造如＜圖一＞所示，外觀呈圓柱形，通常會依照封裝的不同而有不同的形狀，但是真正發光的部分只有「晶粒（Die）」而已。晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光，由於雷射二極體的晶粒很小，所以一片 3 吋的砷化鎵晶圓就可以製作數百個晶粒，切割以後再封裝，目前主要分為下面兩大類：
➤邊射型雷射（EEL：Edge Emitting Laser）：磊晶平面在水平方向，切割後在晶粒左右側邊蒸鍍金屬反射薄膜，雷射光沿水平方向（在磊晶平面內）來回共振，由右側邊射出，所以稱為「邊射型」，如＜圖一（a）＞所示，這種雷射功率高，但是投射出來的光場呈橢圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較大。
➤面射型雷射（SEL：Surface Emitting Laser）：磊晶平面與金屬反射薄膜都在垂直方向，切割後雷射光沿水平方向（與磊晶平面垂直）來回共振，由磊晶表面射出，所以稱為「面射型」，如＜圖一（b）＞所示，這種雷射功率低，但是投射出來的光場呈正圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較小。
圖一、雷射二極體封裝後的外觀
FP 雷射（Fabry-Perot Laser）
如果我們將＜圖一＞中的晶粒放大，得到如＜圖二＞的構造，中央部分發光區為砷化鎵磊晶，上下有 P 型與 N 型的砷化鋁鎵磊晶，最上面與最下面則有金屬電極，並且將晶粒切開以後，在左右側面蒸鍍金屬薄膜形成「共振腔（Cavity）」。
當雷射二極體與電池連接時，電子由電池的負極流入 N 型砷化鋁鎵磊晶，電洞由電池的正極流入 P 型砷化鋁鎵磊晶，電子與電洞在中央發光區的砷化鎵磊晶結合，並且沿左右水平方向發光，但是左側蒸鍍金屬薄膜較厚形成反射鏡（100% 反射），右側蒸鍍金屬薄膜較薄也形成反射鏡（99% 反射、1% 穿透），發光區發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「共振放大」，由於右方的反射鏡設計可以穿透 1% 的光，所以雷射光就由右方穿透射出，如＜圖二＞所示。
這種半導體雷射的結構最簡單，稱為「FP 雷射（Fabry-Perot Laser）」，由於雷射光是從晶粒的側邊射出，因此屬於「邊射型雷射（EEL）」。
圖二、FP 雷射（Fabry-Perot Laser）的晶粒構造與原理示意圖
由於邊射型雷射的雷射光是由側邊射出，因此側邊的形狀決定了光場的形狀，大家可以自行觀察＜圖二＞中 FP 雷射晶粒由右側看入其實是長方形，因此雷射光向右側發射出來的光場形狀應該是長方形，雷射光行走一段距離以後，由於長方形四個角落的光強度比較弱，所以光場形狀會慢慢地變成橢圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較大。
FP 雷射的優點為構造簡單，價格較低；缺點是光不夠純（發光波長分布範圍較大），由於光通訊產業上所使用的光纖會有「材料色散（Material Dispersion）」，是由不同波長（不同顏色）的光，在相同的介質中傳播的速度不同所造成，必須使用「雷射二極體」取代「發光二極體」做為傳送端光源，而且光的純度愈高愈好，因此，如何將雷射二極體的光純度變高就成了很重要的發展方向。
垂直共振腔面射型雷射（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）
垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的構造如＜圖三（a）＞所示，直接使用「分子束磊晶（MBE：Molecular Beam Epitaxy）」或「有機金屬化學氣相沉積（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）」在砷化鎵晶圓上成長數十層 N 型砷化鋁鎵磊晶（每一層之間折射率不同），接著再成長一層砷化鎵磊晶做為發光區，再成長數十層 P 型砷化鋁鎵磊晶（每一層之間折射率不同），最後在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極，並且使用化學蝕刻將上方的金屬電極打開一個圓形孔洞，讓雷射光可以由上方發射出來。
由於雷射光是從磊晶的表面射出，因此屬於「面射型雷射（SEL）」。
圖三、垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的晶粒構造與原理示意圖
由＜圖三（a）＞中可以看出，這種雷射的每一層磊晶都很薄，所以雷射光是沿垂直方向上下前進，在上下兩個金屬電極之間產生共振，並且由上金屬電極的圓形孔洞射出，所以光場形狀可以保持正圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較小。
上下兩個金屬電極可以施加電壓，同時也可以當作反射鏡使雷射光產生共振。數層不同的 P 型與 N 型半導體故意讓每一層之間折射率不同，所以沿著垂直方向形成光柵結構，可以使光變純（波長範圍變小），最重要的是，這種雷射不需要先將晶粒切開以後再成長金屬薄膜反射鏡面共振腔，可以直接在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極當成反射鏡面共振腔，所以可以在一片晶圓上同時製作數百個雷射，形成「雷射陣列（Laser Array）」，如＜圖三（b）＞所示，並且同時將許多根光纖分別連接到每個雷射上方，應用在光纖「骨幹網路（Backbone）」。
雷射二極體（LD）與發光二極體（LED）的比較
➤雷射二極體的光發散角很小：發光二極體沒有共振腔，所以發散角很大，如＜圖四（a）＞所示，光束離開以後很快就分散開來；雷射二極體具有共振腔，可以使光束沿反射鏡方向發射，所以發散角很小，如＜圖四（b）＞所示，可以維持一道光束發射到很遠的地方。
圖四、雷射二極體的光發散角很小
➤雷射二極體的光純度很高（發光波長範圍很小）：發光二極體沒有光柵結構，無法使光變純，如＜圖五（a）＞所示；雷射二極體具有光柵結構，可以使光變純（波長範圍變小），如＜圖五（b）＞所示。只有一種發光波長的頻譜如＜圖五（b）＞中的紅色曲線所示，這種元件並不存在。
其實光純與不純很難從肉眼看出來，因為人的眼睛永遠只對亮度最強的波長的光感受最強，如果一定要描述肉眼看到雷射光與發光二極體的光有什麼不同，那麼只能說：當肉眼看到很純的雷射光，會從心裡產生一股莫名的感動，至於什麼是「莫名的感動」就「只可意會，不可言喻」囉！
圖五、雷射二極體的光純度很高
【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。
其他詳細內容請參考「光電科技與新儲存產業，全華圖書公司」。
《知識力》授權轉載
【延伸閱讀】
75982
