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研究生:蔡子健
研究生(外文):Tze-Chien Tsai
論文名稱:面射型雷射光性之模擬
論文名稱(外文):Simulation of Optical Properties of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers
指導教授:顏順通
指導教授(外文):S.T. Yen
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:42
中文關鍵詞:面射型雷射氧化物孔徑數值模擬
外文關鍵詞:VCSELoxided aperturenumerical simulation
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本論文將介紹一個有效率的計算垂直共振腔面射型雷射之臨界增益與發光波長的光性計算模型。本模型是基於馬克斯威爾方程式的向量分析,亦導入了人工吸收層的概念,且使用了可避免程式計算上的數值不穩定的散射矩陣演算法。最後模擬結果將著重在氧化物孔徑的大小與結構,造成垂直共振腔面射型雷射之臨界增益與發光波長的影響。
我們發現隨著氧化物孔徑變小,則雷射發光波長有藍移的現象,而臨界增益也會變大。雙氧化物孔徑的垂直共振腔面射型雷射結構會有較單氧化物孔徑結構低的臨界增益,而單氧化物孔徑之垂直共振腔面射型雷射結構的波長偏移較雙氧化物孔徑結構小。當主動層的增益與上層氧化物孔徑相關時,變動上下層孔徑的相對大小對光性不會有明顯影響,但固定上層氧化物孔徑大小時可以穩定臨界增益。一旦藍移的波長偏移DBR所設計的波長過多時,鏡面漏失會急劇增加。需要加一層覆蓋層作為與金屬接觸時,以介質中的四分之一波長為厚度會有最小的臨界增益。

We present an efficient numerical optical model for computing threshold material gain and lasing wavelength in vertical-cavity surface-emitting lasers. It is based on a vectorial solution of Maxwell’s equations with an artificial optical boundary outside the VCSEL structure, and a scattering matrix algorithm to prevent the numerical instability during the computation. Results are given concerning the influence of oxided-aperture radius and the structure of oxide-confined devices on threshold gain and lasing wavelength.
We notice that the lasing wavelength blue-shifts and the threshold gain increases as the aperture radius becoming small. The VCSEL with double oxided-aperture has lower threshold gain than the one with single oxided-aperture, and on the contrary, the VCSEL with single oxided-aperture blue-shifts less than the one with double oxided-aperture. As the gain region related to the size of the upper aperture, there is no obvious influence on wavelength shifting with the relative size changing of the upper and lower aperture. Otherwise, fixing the radius of upper aperture will get more stable threshold gain than fixing the radius of lower one. As the blue-shifted wavelength being far away from the one designed for DBR, the mirror loss will affect the threshold gain strongly. And the thickness of the metal contact cap layer would be a quarter wavelength in the dielectric with the lowest threshold gain.

中文提要 ………………………………………………………………i
英文提要 ………………………………………………………………iii
致謝 ………………………………………………………………v
目錄 ………………………………………………………………vi
表目錄 ………………………………………………………………vi
圖目錄 ………………………………………………………………vii
符號說明 ………………………………………………………………ix
一、 概論…………………………………………………………1
二、 理論模型……………………………………………………3
2.1 面射型雷射中之波方程式推導……………………………3
2.2 人工吸收層…………………………………………………9
2.3 基底函數展開法……………………………………………13
2.4 散射矩陣法…………………………………………………14
2.5 共振模………………………………………………………17
2.6 臨界條件與雷射模…………………………………………18
三、 模擬與討論…………………………………………………21
3.1 材料參數……………………………………………………21
3.2 雷射結構……………………………………………………23
3.3 決定高斯函數參數a ………………………………………24
3.4 奇異值分解法………………………………………………25
3.5 850 nm及1.3 mm的VCSEL模擬………………………… 26
3.5.1 850 nm VCSEL單雙層氧化物孔徑比較…………………26
3.5.2 雙氧化物孔徑850 nm VCSEL分析………………………29
3.5.3 1.3 mmVCSEL分析…………………………………………32
四、 結論…………………………………………………………38
參考文獻 ………………………………………………………………40
簡歷 ………………………………………………………………42

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