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双异质短波长半导体激光器可作为激光光纤通信

  激光技术已成为现代生活中不可替代的技术之一,不论是工业加工、医疗美容、光纤通信,还是近年来火热的无人驾驶、智能机器人等,都与激光技术息息相关。今天我们主角是半导体激光器,小编将带大家一起回顾它的发展历程及产业现状。

  激光的起源可以追溯到1916年爱因斯坦发布的《关于辐射的量子理论》 一文。爱因斯坦首次提出受激辐射理论,为日后激光的发展提供了理论基础。40年后,关于能否用半导体材料形成激光的话题开始被物理学家注意,艾格瀚等科学家提出了许多半导体激光器的设想及可能。

  经过几年的论证与实验,同质结GaAs半导体激光器于1962问世。但由于同质结半导体激光器的临界电流密度很高,不能在室温下实现连续受激激发,导致其几乎没有任何实用性。因此半导体激光器的研究方向指向了“实现室温情况下连续受激激发”。

  为解决临界电流密度高的问题,科学家们提出了异质结构半导体激光器的概念,通过用不同带隙的半导体材料薄层组成“结”,有效地降低了临界电流密度。1967年,单异质结半导体激光器问世。与同质结半导体激光器相比,单异质结半导体激光器临界电流密度有了大幅度的下降,但仍处在一个较高的位置,未能实现室温条件下的连续受激激发的研究目标。尽管如此,单异质结半导体激光器的历史地位也不容轻视,它所使用的异质结结构与液相外延技术,为接下来的研究提供了重要的理论基础和技术支持。

  异质结构的成功运用为科学家指明了方向。既然单异质结半导体激光器的临界电流密度仍然偏高,那么双异质结构效果怎么样呢?

  1969年9月,Leningrad Ioffe研究所发布了双异质半导体激光器(AlxGa1-xAs--GaAs)初步的研究成果。1970年初,贝尔实验室成功降低了双异质半导体激光器的临界电流密度, 实现了室温条件下的连续受激激发,宣告双异质半导体激光器面世。同年5月,Leningrad Ioffe研究所也成功实现双异质半导体激光器在室温下的连续受激发射。

  室温下连续受激发射是激光器走向实用性的第一步。解决了室温下可用,就该考虑室温下耐用的问题了,半导体激光器的研究方向也随之转向“实现器件的长寿命与稳定性”。

  国际科研人员通过不断改进器件结构,逐步提高了半导体激光器的工作寿命,在1977年实现了双异质短波长半导体激光器连续工作1×106个小时。此后,美、日等国就改进器件结构、提高器件稳定性、降低损耗等方面展开研究,研制出CDH、BH、TJS、CDH等结构的AlGaAs—GaAs激光器,均实现了温室下连续受激激发及单模化工作。

  长寿命光源的出现,为半导体激光器走向实际应用铺平了道路。研究人员发现,半导体激光器的波长与光纤十分相配,非常适宜用于光纤通信,因此半导体激光器搭上了光纤通信的发展列车,在不断进步的同时也推动着光通信行业的发展。

  1977年,双异质短波长半导体激光器的连续工作寿命达到了1×106个小时,同年5月,以此为光源的第一代光纤通信系统在美国正式投入使用。随着光通信对信息传输大容量、长中继的发展需求,长波长、长寿命半导体激光器的研制工作也随之展开。

  1979年,第二代光纤通信系统时代的来临,更宽的波长范围对半导体激光器提出了更高的要求。早在1976年,林肯实验室成功就研制出了能在室温下连续工作的InGaAsP 激光器(波长为1.1μm)。1977和1979年,美籍华裔科学家谢肇鑫采用液相外延的方法,在室温条件下分别实现1.3μm和1.55μm的InGaAsP激光器的连续受激激发。InGaAsP激光器很好地契合了第二代光纤通信系统损耗窗口的波长范围,长波长、长寿命的半导体激光器也由此成为国际上着重关注的研制对象。到1988年,InGaAsP激光器的连续工作寿命达到了1×105小时,输出功率大为提升,同时临界电流密度也再次降低。

  随着行业的发展,第二代光纤通信系统已经无法满足高速发展的通讯需求,长距离、大容量成为光纤通信行业新的方向。此前光纤通信的容量主要受限于激光器多纵模发射的模式,因此单模模式的长波长半导体激光器成了第三代光纤通信系统的研究重点。

  为了缩窄半导体激光器的线宽,科学家将光栅技术引入到半导体激光器的制造中,制造出DFB(无腔面分布反馈)半导体激光器。这类激光器线宽非常窄,接近于单色波激光,此外还可以实现较宽的波长调谐范围。这使得 DFB半导体激光器能够实现单纵模发射,大大提升了光纤通信的传输容量。80年代末期,DFB半导体激光器取得一定的成果,大大推动了第三代光纤通信系统的发展。

  随着量子理论的发展和科学家们对半导体激光器研究的不断深入,1970年便有人提出了超晶格量子阱的概念,并在GaAs半导体上实现了超晶体结构。1975年,科学家利用分子束外延技术成功研制出第一台GaAlAs-GaAs类材料的量子阱激光器。但由于技术不够完善,首台量子阱激光器未能在室温条件下实现连续稳定振荡。随着分子束外延技术不断完善改进,1982年美国贝尔实验室成功研制出临界电流密度为160A/cm2的半导体量子阱激光器,开启了量子阱激光器研究的帷幕。

  此后,量子阱激光器的研究方向主要集中于InGaAlP—GaAs、GaAlAs—GaAs和InGaAsP—InP这三类材料上。1986年,应变量子阱的概念被提出,优化了材料内部的价带特性,改良了半导体发光器件的性能。1997年,高功率、长波长单量子阱激光器成功研制,大功率半导体激光器的实用性得以加强,应用领域大为拓展,半导体激光器迎来蓬勃发展。

  我国激光技术的起步稍晚于国外。在霍尔实验室研制出半导体激光器一年后,中科院半导体所的王守武小组和长春光机所的王乃弘小组先后观察到砷化镓二极管的受激成功现象,开启了中国研究半导体激光器的时代。在特殊时期,我国的科研进展受到一定的阻碍,半导体激光器的研究也一度停滞不前。但在这样的情况下,上光所和半导体所依然克服重重困难,于1970研制出单异质结构半导体激光器。

  困难时期结束后,我国半导体激光器的研发驶入快车道,连续实现较多突破,到1999年已实现120mW大功率半导体激光器寿命超越10万小时。千禧年之后,我国半导体激光器的研究工作连续取得突破,相关企业也逐渐增多,半导体激光器产业化之路愈发通畅。

  按工作介质不同,通常将激光器分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6种。接下来介绍几种相对常见的激光器,对比他们与半导体激光器的区别。

  从表中对比可见,在适用于工业加工的激光器中,半导体激光器具有光电效率高,价格低,寿命长的优点,这些优点对产业化应用来说极具竞争力。但当前半导体激光器尚未能达到光纤激光器、CO2激光器的光束质量,在部分应用领域竞争力不足。那么半导体激光器在工业加工上的具体表现怎么样呢?

  由于半导体激光器具有制造简单、易量产、成本低、波长覆盖范围广、体积小、寿命长、能耗低、电光转换效率高等优点,在CD激光唱片机、光纤通信、光存储器、激光打印机等获得广泛应用,逐渐覆盖了各个光电子学领域的实用市场。

  双异质短波长半导体激光器可作为激光光纤通信、大气通信系统的光源,与光通信、光储存、光信息处理、光交互等领域有着密切的联系。量子阱大功率半导体激光器则面向精密机械加工、印刷业、医疗领域及固体泵浦源领域等等。GaN基半导体激光器由于其广阔的波长范围,使其在生物医疗技术、水下通信及运输、光储存等领域具有相当大的实用价值。此外,通过将激光耦合进光纤进行传输,大功率直接半导体激光器在切割和焊接领域得到了广泛应用。

  在工业加工领域,光纤激光器是当前的主力军,市场份额约占50%,而半导体激光器仅占不到20%。但DDL激光器因更高的光电转化效率而被寄予厚望,近年来增长势头旺盛,未来有望占有更大的份额。与光纤激光器相比,DDL激光器直接作为输出光源应用于加工材料,减去了作为中间泵浦源的电能损耗,因此光电转换效率更高(普遍可达50%,最高可达到70%),也更为节能。

  对半导体激光器而言,由于其体积较小,单个半导体激光器难以实现大功率输出。因此大功率半导体激光器需要进行多层叠加,这对光束质量有较大影响。随着半导体耦合技术的提高以及新型合束技术的逐渐成熟,将多层叠加的半导体激光器跟光纤进行耦合后,一定程度上改善了光束质量并实现了柔性传输,部分千瓦级以上光纤输出的半导体激光器已可以满足薄板切割对光束质量的要求。

  总而言之,DDL激光器的光束质量尚无法比肩光纤激光器,虽在熔覆、焊接应用上逐步推广,但尚未能完全满足大多数切割应用对质量的要求。此外,直接半导体激光器的总输出功率也有待提高。

  当前国际上从事半导体激光器的企业有美国的Coherent、nLight、II-VI、Newport、德国TRUMPF、DILAS等。由于国外半导体激光器研发起步早,产业化早,技术积累更深厚,因此其产品占据较大市场份额。

  我国的半导体激光器技术早期与国外发展同步,但中途停滞导致几年导致与国外拉开差距。虽然后期经过努力,在相关科研上已达到了国际领先水平,但直到二十一世纪才开始进行产业化,产业发展明显滞后。

  1999年8月,海特光电成立。随后山东华光光电(1999.11.)、西安华科光电(2002.9.)、北京凯普林光电(2003.3.)、西安欧益光电(2006.10.)、北京吉泰基业(2007.6.)、西安炬光科技(2009.9.)等专注于半导体激光器的企业先后崛起,大族激光、锐科激光、创鑫激光等企业也各自将业务拓展至半导体激光器领域,我国半导体激光器产业逐渐走向繁荣。

  相比半导体激光器企业开枝散叶,国内从事高功率直接半导体激光器研发生产的企业则较为稀少。从各家公司官网所公布的产品来看,凯普林、长光华芯、锐科激光、创鑫激光均推出915nm的直接半导体激光系统,具备千瓦级输出的有锐科激光(最高4000W)、凯普林(最高3000W)、创鑫激光(3000W)、长光华芯(1500W),覆盖波段最广的则是凯普林(可覆盖450nm-1550nm)。据了解,凯普林早期的半导体激光器主要面对海外医疗及激光制版印刷行业,从2012年开始在工业半导体泵浦源及半导体激光直接加工领域成为国产替代进口品牌的主力军,其先进的研发团队及高额的研发投入为其开拓工业市场提供了坚实的技术保障。

  尽管在工业加工领域,半导体激光器的覆盖比例不如光纤激光器,但对全球激光器市场而言,半导体激光器则占据了主导地位(约占43%)。全球半导体激光器市场规模从2012年的35.4亿美元增加至2017年的53.1亿美元,年复合增长率为8.4%。

  随着技术的不断发展和突破,半导体激光器正向发射波长更短、发射功率更大、超小型、长寿命的方向发展,以满足各种应用的需要,产品种类日益丰富。同时,世界上各主要的工业大国都在进行产业升级,智能化、无人化的工业场景也将为激光市场带来更多机会,作为光纤激光器泵源的半导体激光器,也将获得更广阔的发展空间。

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