邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的工作原理和應(yīng)用現(xiàn)狀

引言

根據(jù)諧振腔制造工藝的不同，半導(dǎo)體激光芯片分為邊發(fā)射激光芯片（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光芯片（VCSEL）兩大類，其具體結(jié)構(gòu)差異如圖1所示。相比于垂直腔面發(fā)射激光器，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的技術(shù)發(fā)展更為成熟，具有波長(zhǎng)范圍廣、電光轉(zhuǎn)換效率高、功率大等優(yōu)勢(shì)，非常適用于激光加工、光通信等領(lǐng)域。目前，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器作為光電子行業(yè)的重要組成部分，其應(yīng)用已涵蓋工業(yè)、電信、科學(xué)、消費(fèi)、軍事以及航空航天等方面。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的功率、可靠性和能量轉(zhuǎn)換效率等性能都得到了極大的提高，其應(yīng)用前景也越發(fā)廣泛。

接下來(lái)，小編將帶領(lǐng)大家進(jìn)一步領(lǐng)略邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的獨(dú)特魅力。

圖1 （左）邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器與（右）垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖

邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器工作原理

邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)可分為以下三部分：半導(dǎo)體有源區(qū)、泵浦源以及光學(xué)諧振腔。與垂直腔面發(fā)射激光器的諧振腔（由頂、底部布拉格反射鏡構(gòu)成）不同，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件中的諧振腔主要由兩側(cè)的光學(xué)膜構(gòu)成，典型的EEL器件結(jié)構(gòu)及諧振腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件中的光子經(jīng)諧振腔選模放大后，將沿平行于襯底表面的方向形成激光。邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件的工作波長(zhǎng)范圍廣，適用于多種實(shí)際應(yīng)用，因此成為了理想的激光光源之一。

圖2 典型的EEL器件及諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)也與其他半導(dǎo)體激光器一致，具體包括：（1）激光器激射波長(zhǎng)；（2）閾值電流Ith，即激光二極管開(kāi)始產(chǎn)生激光振蕩的電流；（3）工作電流Iop，即激光二極管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，該參數(shù)應(yīng)用于激光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)調(diào)制；（4）斜率效率；（5）垂直發(fā)散角θ~⊥；（6）水平發(fā)散角θ∥；（7）監(jiān)控電流Im~，即半導(dǎo)體激光芯片在額定輸出功率時(shí)的電流大小。

GaAs基和GaN基邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展

基于GaAs半導(dǎo)體材料制備得到的半導(dǎo)體激光器，是發(fā)展最為成熟的半導(dǎo)體激光器技術(shù)之一。目前，GaAs基近紅外波段（760-1060 nm）邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器已實(shí)現(xiàn)廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。近年來(lái)，外延和封裝工藝等方面的研究突破也推動(dòng)了GaAs基近紅外波段邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器性能的進(jìn)一步提升，其中GaAs基近紅外邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展如表1所示：

表1 近年來(lái)基于GaAs材料的近紅外邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器性能參數(shù)進(jìn)展

GaN作為繼Si與GaAs之后的第三代半導(dǎo)體材料，由于其優(yōu)異的物理、化學(xué)特性，在科研界與產(chǎn)業(yè)界得到了廣泛關(guān)注。在GaN基光電子器件的發(fā)展熱潮和科研工作者們的努力下，GaN基發(fā)光二極管和邊發(fā)射激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

GaN基邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的主要發(fā)展歷程如下：

1994年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者赤崎勇教授、天野浩教授（2014年諾貝爾獎(jiǎng)得主）首先提出了基于氮化鎵雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的402.5 nm半導(dǎo)體激光器；

1996年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二（2014年諾貝爾獎(jiǎng)得主）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次研制出GaN基紫光激光器；

2014年，德國(guó)歐司朗集團(tuán)報(bào)道了斜率效率為1.6 W/A、光功率約4.5 W的藍(lán)光激光器；

2017年，日本日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社報(bào)道了斜率效率為1.8 W/A、光功率約4.7 W的藍(lán)光激光器，以及光功率約0.87 W的綠光激光器；

2017年，索尼有限公司報(bào)道了斜率效率為5.2 W/A，光功率約1.8 W的綠光激光器；

2020年，中科院蘇州納米所提出了一種新型硅基GaN翻轉(zhuǎn)脊形波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)，大幅提高了器件的串聯(lián)電阻和熱阻性能；

2020年，中科院蘇州納米所研制出了斜率效率為1.65 W/A，光功率約4 W的藍(lán)光激光器······

邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器應(yīng)用現(xiàn)狀

由于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有波長(zhǎng)范圍廣、大功率等特點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用于汽車、光通信、激光醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。據(jù)國(guó)際知名市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Développement預(yù)測(cè)，邊緣發(fā)射激光器市場(chǎng)將在2027年增長(zhǎng)至74億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為13%。這種增長(zhǎng)將持續(xù)受到光通信的推動(dòng)，例如用于數(shù)據(jù)通信和電信的光模塊、放大器以及3D傳感應(yīng)用。針對(duì)不同的應(yīng)用需求，目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了不同的EEL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，包括：法布里珀羅（FP）半導(dǎo)體激光器、分布式布拉格反射器（DBR）半導(dǎo)體激光器、外腔激光器（ECL）半導(dǎo)體激光器、分布式反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器、量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器（QCL）和廣域激光二極管（BALD）等，不同應(yīng)用對(duì)邊發(fā)射激光器的性能要求如表2所示。

表2 不同應(yīng)用對(duì)邊發(fā)射激光器的性能要求

邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器應(yīng)用案例如圖3所示。隨著光通信、3D傳感應(yīng)用等領(lǐng)域需求的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)半導(dǎo)體激光器的需求也在不斷加大。此外，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器與垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器也在新興應(yīng)用中起到了相互填補(bǔ)短板的作用，例如：

（1）在光通信領(lǐng)域中，1550 nm InGaAsP/InP分布式反饋 (DFB) EEL和1300 nm InGaAsP/InGaP 法布里-珀羅EEL通常在2公里至40公里的傳輸距離和高達(dá)40 Gbps的傳輸速率下使用。然而，在60米至300米傳輸距離和較低的傳輸速度下，基于850 nm InGaAs和AlGaAs的VCSEL則居支配地位；

（2）垂直腔面發(fā)射激光器具有小體積、窄波長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因此在消費(fèi)電子市場(chǎng)取得了廣泛應(yīng)用，而邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的亮度、功率優(yōu)勢(shì)則為遠(yuǎn)程傳感應(yīng)用、大功率加工領(lǐng)域鋪平了道路；

（3）邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器與垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器都可用于中短程激光雷達(dá)，以實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)檢測(cè)、車道偏離等具體應(yīng)用。

未來(lái)發(fā)展

邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有高可靠性、小型化、發(fā)光功率密度高等優(yōu)勢(shì)，在光通信、激光雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，盡管邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制造工藝已比較成熟，但為了滿足產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器不斷增長(zhǎng)的需求，就需要對(duì)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的技術(shù)、工藝、性能等方面進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，包括：降低晶圓內(nèi)部缺陷密度；減少工藝程序；研發(fā)新技術(shù)替代傳統(tǒng)容易引入缺陷的砂輪、刀片晶圓切割工藝；優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)提高邊發(fā)射激光器工作效率；降低制造成本等。此外由于邊發(fā)射激光器的出光在半導(dǎo)體激光芯片的側(cè)面邊緣，難以實(shí)現(xiàn)小尺寸芯片封裝，因此相關(guān)的封裝工藝仍需進(jìn)一步突破。

審核編輯：湯梓紅