藉由Yole報告中的資料，介紹light source，主要以半導體雷射為主。
藉由Yole報告中的資料，介紹light source，主要以半導體雷射為主。¶
- Source: Ted Yu
- Published: 2025-07-31T12:16:09+08:00
- URL: https://ytyuted.substack.com/p/light-sources EP9: Light sources - Ted Yu
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EP9: Light sources¶
Jul 31, 2025
藉由Yole報告中的資料，介紹light source，主要以半導體雷射為主。
前次報告有提到，目前用於Data Center的光模塊，主要用三種技術: VCSEL, EML, SiPH:
VCSEL 屬於雷射元件的一種架構形式；EML 則為整合式元件，結合了 DFB 雷射與 EAM 調變器；而 SiPH 則是指以矽為基礎的光子整合平台。在產業界的溝通過程中，這些技術名詞常被交替使用或混合引用。
1. 光電半導體基本知識¶
1.1 能隙
Si 屬於間接能隙材料，價帶頂與導帶底的動量位置不同。
當電子從導帶復合到價帶時，除了光子能量外，還需要聲子（晶格震盪）提供或吸收額外的動量來滿足動量守恆。這種過程的機率遠低於直接能隙材料，因此輻射復合效率極低，幾乎不發光。
相比之下，GaAs、InP 、GaN(III-V 化合物)等直接能隙材料，電子和電洞可直接輻射復合，因而能有效產生光。
1.2. III-V 族發光特性¶
(圖中 實線: 直接能隙；虛線:間接能隙)
直接能隙材料 → 適合光電元件
大部分 III-V 材料（如 GaAs、InP、GaN）屬於直接能隙，可有效進行電子-電洞複合輻射躍遷，發光效率高。
相較於間接能隙材料（如 Si、Ge），III-V 材料更適合作為 LED、雷射二極體（LD）、光電偵測器的基礎。
能隙 (Eg) 與發光波長相關
Eg 大 → 發射短波長光（藍光/紫外線）
Eg 小 → 發射長波長光（紅外線）
能隙與晶格常數可透過混晶 (Alloying) 調整
例如 InₓGa₁₋ₓAs、AlₓGa₁₋ₓAs 可連續改變 Eg 與晶格常數，實現不同波長的光源或偵測器。
1.3. 應用¶
應用領域對應¶
GaN 系列 (AlGaN/InGaN/GaN)→ UV / 藍光 / 綠光 LED 與 LD
GaAs 系列 (AlGaAs/GaAs)→ 紅光/紅外 LD、VCSEL
InP 系列 (InGaAsP/InAlGaAs/InP)→ 光纖通訊雷射、光檢測器 (1.3–1.55 µm)
重要性¶
GaAs→ 奠定 III-V 光電基礎，廣泛用於紅外光源與高速電子。
GaN→ 寬能隙材料，推動藍光/UV 光電與高功率電子革命。
InP→ 電信波段與光子積體電路核心材料，支撐現代光通訊技術。
2. 半導體雷射¶
2.1. 雷射系統的基本組成：
Active medium (增益介質)
作為光學放大器，負責產生受激輻射。
Excitation mechanism (激發機制 / pumping)
提供能量，使增益介質中電子被激發至高能態。
Optical feedback (光學回授)
由反射鏡形成光學腔，讓光在腔內多次往返放大。
Output coupler (輸出耦合器)
部分反射、部分透射，讓部分雷射光輸出。
整體運作：激發機制為增益介質提供能量 → 電子受激輻射放大 → 光學腔回授形成相干光 → 經輸出耦合器釋放雷射光。
2.2. 半導體雷射歷史
1970 年是光通訊的關鍵年份，因為：
雷射二極體的突破：發明了AlGaAs/GaAs 異質結邊射型雷射，首次能在室溫下連續運作，使雷射成為實用化光源。
光纖的誕生：同年康寧公司（Corning）開發出低損耗光纖（損耗 < 20 dB/km），讓光纖成為可用於長距離通訊的傳輸媒介。
🔹這兩項技術同時出現，奠定了現代光纖通訊的基礎，並推動了往後幾十年的光纖網路、數據通訊與互聯網發展。
2.3.半導體雷射重要技術演進
主要技術里程碑¶
Homo-junction (1960s)
早期的同質結雷射，需要極高電流密度才能達到雷射閾值。
Double Heterostructure (DH) (1970)
透過異質結將載子與光侷限於主動區，Jth 從 kA/cm² 降至 ~900 A/cm²。
Quantum Well (QW) (1980s)
進一步量子侷限，提升增益效率，Jth 降至 ~160 A/cm²。
Strained Quantum Well (S-QW)
利用應變工程改善能帶結構與遷移率，使閾值電流再下降。
Quantum Dot (QD) (1990s)
3D 量子侷限，進一步降低閾值電流至 ~20–40 A/cm²，並提升溫度穩定性與效率。
整體影響¶
Jth 從 1960s 的 kA/cm² → 降至 2000 年代的 ~20 A/cm²。
技術演進關鍵在於載子與光侷限能力的提升，以及能帶結構工程（QW、QD、應變）。
這些進步奠定了現代高效率、低功耗的半導體雷射二極體，使其應用於光通訊、顯示、醫療與工業等領域。
2.4.Double Heterostructure (DH)
雙異質結構 (Double Heterostructure, DH) 的發明者 赫伯特·克勒默 (Herbert Kroemer) 與 曽根功 (Zhores Alferov)，因為在 半導體異質結構 (heterostructure) 研究與應用 的貢獻，於 2000 年獲得諾貝爾物理獎。這項技術奠定了LED、雷射二極體、光通訊、太陽能電池等現代光電技術的基礎。
簡單介紹DH工作原理和特性:
結構：由兩層包覆層 (cladding layers)夾住一層主動層 (active layer)，主動層厚度通常約100 nm。
運作原理：
電流注入後，電子與電洞在主動層中複合並產生光子。
異質結造成能帶位障，有效侷限載子 (carrier confinement)。
折射率差異產生光波導效應，提供光學侷限 (optical confinement)。
良好的載子侷限 (carrier confinement)
異質結中的能帶不連續形成位障，防止電子與電洞外溢，提高複合效率。
良好的光學侷限 (optical confinement)
主動層折射率較高，形成光波導，使光侷限於主動區內增強受激輻射。
發光波長受主動層材料能隙限制，難以調整。
需滿足晶格匹配，材料組合受限。
差分增益較小，限制了效率與動態響應。
後續技術如 Quantum Well (QW)在 DH 基礎上進一步改良，藉由量子侷限提供更高增益與更靈活的波長設計。
2.5. 製程工藝
與半導體雷射演進的關係¶
1960s–1970s：LPE、VPE 為主，用於製作早期同質結與雙異質結雷射。
1980s 起：MBE、MOCVD 逐漸普及，可精確控制量子井 (QW)、應變量子井 (Strained QW)、量子點 (QD)結構。
👉MOCVD 與 MBE是現今III-V 族半導體外延(磊晶)成長的主流技術，能實現奈米級厚度控制與高品質界面。
光通訊磊晶大廠聯亞，目前有30台MOCVD(氣相沈積磊晶設備)，應已足以支應2025年的訂單，出貨不成問題
3. 發光元件¶
LED:
EEL(Edge-Emitting Laser):
VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser):
LED、VCSEL、EEL 比較:
👉VCSEL→ 資料中心、短距離光互連
👉LED→ 顯示、照明、簡易指示光源
👉EEL→ 光纖通訊、雷射泵浦、高功率應用
4. Datacom半導體雷射應用¶
借用Yole報告中的資料:
[Reference]
Yole report
盧廷昌教授的 LED與LD製作和應用(網路教學)
盧廷昌教授的 光電半導體元件(網路教學)
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