第二版 序

很慶幸半導體雷射能有持續新的發展和演進，更高興看到半導體雷射應用到人類生活中的許多層面，尤其是近年來的5G、6G 通訊以及3D 感測與自動駕駛對半導體雷射的需求越來越大，也因此促成作者於2019 年另外完成由五南出版社出版的一本《VCSEL 技術原理與應用》。

非常感謝五南出版社對此書的再版，在此版本中更正了十二年來所發現而累積到目前的錯誤，希望此版本能提供學生、研究學者、老師與業界人員一本深入介紹半導體雷射各方面技術的書籍，也希望讀者能不吝回饋與指教本書仍可能存在的謬誤。

盧廷昌

2022 于新竹陽明交大

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序

半導體雷射廣泛的存在於今日高度科技文明的生活中，成為許多光電系統中最重要的光電主動元件之一，例如在光纖通信、高密度光碟機、雷射條碼、雷射印表機、雷射電視、雷射滑鼠、雷射筆、雷射舞台秀甚至雷射美容與醫療、軍事等不勝枚舉之應用都用到了半導體雷射。半導體雷射的實現可以說是半導體科技與光電科技的智慧結晶，同時也對人類社會帶來無與倫比的便利與影響，因此，能夠瞭解半導體雷射的基本操作原理與設計概念，同時學習到半導體雷射的構造與光電特性，並認識半導體雷射的製程與信賴度，是非常值得相關領域的大(專)理工科學生、實際從事相關半導體雷射的科技人員以及光電元件或系統的研發專業人員深入瞭解。

本書基本上是作者前一本「半導體雷射導論」的延續，儘管在內容份量上與深度上都較為進階，但是本書「半導體雷射技術」的編排手法仍是以作為講授半導體雷射教科書為原則，當然也可當成一本半導體雷射的參考教材，本書可和前本結合以適用於大(專)學三、四年級以及研究所一年級以上相關科系，相當於一學年的完整半導體雷射的教材；本書亦適用於想要了解半導體雷射各種技術的專業研發人員單獨研讀參考。前本「半導體雷射導論」著重於半導體的基本特性、異質結構、發光與增益特性以及基本雷射原理；建議在研讀本書「半導體雷射技術」前可以先對這些內容有所了解，因為本書直接從半導體雷射元件的角度切入以探討半導體雷射的各種有趣的特性，此外建議本書的讀者需要具備在工程數學、近代物理與電磁學方面的基礎知識，也最好熟悉簡單的電腦輔助數學軟體，這些會幫助讀者更容易體會與瞭解本書所介紹的半導體雷射的各種行為。

本書共有八章。前三章為半導體雷射的原理、波導結構與動態特性的探討，屬於基本學理的介紹；第四到第六章為三種不同共振腔型式的半導體雷射的介紹，屬於進階的內容；而最後兩章關於製程與信賴度的討論則是屬於工程的範疇。學校教師可依據教學屬性與學生程度及特質，擇其內容教授。

第一章為半導體雷射操作的簡介，一開始簡單介紹半導體異質結構與主動層增益的由來，然而若想要更深入了解這部分的讀者，強烈建議研讀前本「半導體雷射導論」；接著，使用描述載子濃度與光子密度的雷射速率方程式來推導半導體雷射的閾值條件與輸出特性，同時介紹雷射縱模的概念以及多縱模操作的雷射，最後再使用雷射速率方程式來討論非輻射放射復合、輻射放射復合與受激放射速率之間隨著注入載子濃度的消長。第二章將介紹半導體雷射的波導結構對雷射特性的影響，我們從一維波導開始，引導出波導模態與等效折射率的概念，然後推導出光學侷限因子的意義，以及其和雷射閾值條件的關係；進一步將一維的波導概念推廣到二維波導的橫面結構，二維橫面結構對常見的邊射型雷射而言，是非常重要的設計參數，本書將介紹等效折射率法與有限差分法來解二維橫面結構的波導模態，在第二章的最後將介紹這些波導結構對半導體雷射的遠場圖型，也就是遠場發散角的影響。第三章介紹半導體雷射的動態特性，我們將半導體雷射隨時間變化的參數，分成小信號與大信號響應兩個範疇來討論，在小信號近似中，先推導出小信號的雷射速率方程式，進而求出雷射調制的頻率響應，並介紹弛豫頻率與截止頻率的概念，接著引入非線性增益飽和效應，討論其對調制頻率的影響，並介紹高速雷射調制的設計原則，接著說明如何計算時域上小信號的暫態解；而在大信號響應中，我們將介紹導通延遲時間，以及使用數值方法獲得大信號在時域上的暫態解；接著，我們將介紹半導體雷射中的特有參數：線寬增強因子，對頻率啁啾與雷射發光線寬的影響，最後將介紹半導體雷射的雜訊來源及其影響。

第四章為垂直共振腔面射型雷射的介紹，首先是這種短共振腔面射型雷射的歷史發展，再介紹布拉格反射鏡的結構，並使用傳遞矩陣法推導布拉格反射鏡的特性以及穿透深度的概念；接著，將介紹垂直共振腔面射型雷射的閾值條件與溫度特性，並介紹垂直共振腔面射型雷射的微共振腔效應，以及各種垂直共振腔面射型雷射的侷限構造；接下來，我們再分別介紹長波長垂直共振腔面射型雷射與藍紫光垂直共振腔面射型雷射的進展。第五章介紹DFB與DBR雷射，這兩種雷射皆是應用了週期性光柵結構而達到單縱模操作的雷射型態，為了要說明光柵結構的作用，將介紹微擾理論與耦合模態理論，並應用耦合理論推導DFB雷射的閾值條件，以及介紹不同種類的DFB雷射結構；接著應用傳遞矩陣的方法推導DBR雷射的閾值條件，最後說明波長可調式雷射的結構與工作原理。第六章是光子晶體雷射的介紹，首先是簡單介紹光子晶體的概念與應用，接下來介紹兩種不同工作原理的光子晶體雷射，一是光子晶體缺陷型雷射，一是光子晶體能帶邊緣型雷射，我們將簡單介紹這兩種雷射的原理、歷史發展、元件特性與未來展望。

第七章為半導體雷射的製作介紹，主要分為磊晶與製程兩部分；在磊晶部分，將介紹磊晶技術的發展，以及目前兩種最常見的磊晶系統：分子束磊晶與金屬有機化學氣相沉積；接著再介紹數種半導體雷射常用的化合物半導體材料系統，其中發光的波長涵蓋了從紅外光到紫外光的波段；在製程部分，將介紹半導體雷射的製作流程以及分別介紹這些流程所需的技術，包括蝕刻、沉積、離子佈植與金屬製程等。第八章則是介紹半導體雷射信賴度測試與劣化機制，首先是介紹各種半導體雷射特性測試的方法，接著討論信賴度測試方法、信賴度模型與分析方式；最後，分別介紹半導體雷射的劣化機制與半導體雷射失效分析的方法。

為了使讀者學習到的概念更加實際與明確，本書在章節中編排了許多範例，這些範例不僅可幫助讀者熟悉半導體雷射的設計概念與元件特性，更可讓讀者迅速明瞭在書中所討論到的一些雷射物理參數的數值大小。在每章結束後，還伴隨有許多習題，這些涵蓋了數值或分析的問題可供讀者在學習完該章節後能有解決問題、推導公式與發展相關電腦數值模型的機會。由於近年來電腦輔助數學軟體的功能相當強大，本書在許多章節中特別介紹需要使用到數值方法的內容，希望讀者可以依此建立電腦模型來模擬雷射的特性，更能幫助讀者了解半導體雷射的行為。此外，本書還包含許多前瞻的雷射元件，例如光子晶體雷射就屬於相當新穎的半導體雷射結構，許多元件結構與理論都還在蓬勃發展中，特別把光子晶體雷射的內容放在本書中，一方面是希望整理出我們實驗室近幾年在這個領域上的成果，另一方面也想拋磚引玉藉此激發出年輕學子的創意，在半導體雷射的領域中持續創新；儘管如此，還有許多半導體雷射的技術因為本書篇幅的限制，無法收錄在書中，但是我們相信經由本書的引導可提供深入了解半導體雷射一系列進階技術完整的基礎。

本書的內容實源自這幾年在國立交通大學光電所開設的課程「半導體雷射」後半部的進階教材，在2008年出版了「半導體雷射導論」後，一直礙於忙碌的行程遲遲無法一氣呵成的完成半導體雷射下半部的內容；然而在最近持續授課的過程中，一方面一直有學生希望我們出版續集，一方面也有感於授課內容的需要，最後能夠在雷射發明50周年以及交大光電所創立30周年的年度裡，完成並出版本書，我們心中有無限感恩！我們想感謝國立交通大學和光電系提供良好的授課與研究環境，特別是田家炳光電大樓的完成，讓作者得以在嶄新優雅的空間中埋首寫作！本書的完成經歷了許多人的參與協助，我們要感謝博士班的學生俊榮、士偉、柏孝與煇閔分別在面射型雷射、光子晶體雷射、雷射製程、雷射測試與信賴度分析等內容的提供，碩士班的學生鵬翔、永吉與詳淇使用電腦軟體繪出許多精彩的圖表，感謝當時在我們實驗室擔任博士後但現在任職於高雄大學的馮瑞陽教授提供的近、遠場模擬圖，此外我們非常感謝國立交通大學光電系的陳瓊華教授與光電系統研究所的林建中教授對本書極為仔細的校稿，我們同時想感謝那些曾經指導教誨過我們的師長，曾經與我們共同奮鬥互相討論的同事，曾經給過我們無私評論的研究同行，得以持續激發我們完成此書。

最後，作者要深深感謝在這三年寫書過程中不斷給我們鼓勵和支持的妻子詠梅與竹美。



盧廷昌 王興宗

2010 于新竹交大

第二版 序

很慶幸半導體雷射能有持續新的發展和演進，更高興看到半導體雷射應用到人類生活中的許多層面，尤其是近年來的5G、6G 通訊以及3D 感測與自動駕駛對半導體雷射的需求越來越大，也因此促成作者於2019 年另外完成由五南出版社出版的一本《VCSEL 技術原理與應用》。

非常感謝五南出版社對此書的再版，在此版本中更正了十二年來所發現而累積到目前的錯誤，希望此版本能提供學生、研究學者、老師與業界人員一本深入介紹半導體雷射各方面技術的書籍，也希望讀者能不吝回饋與指教本書仍可能存在的謬誤。

盧廷昌

2022 于新竹陽明交大 ...

第一章 半導體雷射基本操作原理
1.1 雙異質接面
1.2 半導體光增益與放大特性
1.3 半導體雷射震盪條件
1.4 速率方程式與雷射輸出特性
1.5 多縱模雷射頻譜
本章習題
參考資料
第二章 半導體雷射結構與模態
2.1 半導體雷射之垂直結構
2.2 橫面二維結構與模態
2.3 遠場發散角
本章習題
參考資料
第三章 半導體雷射動態特性
3.1 小信號響應
3.2 大信號響應
3.3 線寬增強因子與啁啾
3.4 相對強度雜訊
本章習題
參考資料
第四章 垂直共振腔面射型雷射
4.1 垂直共振腔面型雷射的發展
4.2 布拉格反射鏡
4.3 垂直共振面射型雷射之特性
4.4 長波長垂直共振腔面射型雷射
4.5 藍紫光垂直共振腔面射型雷射
本章習題
參考資料
第五章 DFB與DBR雷射
5.1 DFB雷射簡介與雷射結構
5.2 微擾理論
5.3 耦合模態理論
5.4 DFB雷射之特性
5.5 DBR雷射
5.6 波長可調式雷射
本章習題
參考資料
第六章 光子晶體雷射
6.1 光子晶體簡介
6.2 光子晶體缺陷型雷射
6.3 光子晶體能帶邊緣型雷射
本章習題
參考資料
第七章 半導體雷射製作
7.1 半導體雷射磊晶技術
7.2 半導體雷射常用材料
7.3 半導體雷射製程技術
本章習題
參考資料
第八章 半導體雷射信賴度測試與劣化機制
8.1 半導體雷射特性測試
8.2 信賴度測試與分析
8.3 半導體雷射劣化機制
8.4 半導體雷射失效分析
本章習題
參考資料
附錄
索引

第一章 半導體雷射基本操作原理
1.1 雙異質接面
1.2 半導體光增益與放大特性
1.3 半導體雷射震盪條件
1.4 速率方程式與雷射輸出特性
1.5 多縱模雷射頻譜
本章習題
參考資料
第二章 半導體雷射結構與模態
2.1 半導體雷射之垂直結構
2.2 橫面二維結構與模態
2.3 遠場發散角
本章習題
參考資料
第三章 半導體雷射動態特性
3.1 小信號響應
3.2 大信號響應
3.3 線寬增強因子與啁啾
3.4 相對強度雜訊
本章...