GaAs基高功率邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器作為光纖激光器、固體激光器、堿金屬蒸氣激光器等激光系統(tǒng)的核心器件，其發(fā)展始終與**及工業(yè)應(yīng)用需求緊密相聯(lián)。當(dāng)前，高能激光系統(tǒng)對泵源功率持續(xù)提升的需求，疊加工業(yè)領(lǐng)域?qū)す馄鞒杀拘б?、可靠性及效率的追求?nbsp;推動(dòng)GaAs基邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器在功率、電光效率、光束質(zhì)量及光譜調(diào)控等方面的性能極限實(shí)現(xiàn)不斷突破。

       四川大學(xué)教授、長光華芯技術(shù)官王俊團(tuán)隊(duì)總結(jié)了近10年來該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展：聚焦功率效率提升瓶頸，重點(diǎn)解析寬條與錐形半導(dǎo)體激光器芯片模式調(diào)控技術(shù)，探討內(nèi)置光柵波長鎖定能力與功率效率損失的機(jī)理，綜合對比不同應(yīng)用的光纖耦合技術(shù)并分析其應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。通過梳理國內(nèi)外技術(shù)路線發(fā)展脈絡(luò)，為下一代高功率半導(dǎo)體激光器的研發(fā)提供理論參考與技術(shù)路徑。

1、邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器制備關(guān)鍵技術(shù)

       金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積憑借高產(chǎn)量和規(guī)?；瘍?yōu)勢，成為工業(yè)級高功率半導(dǎo)體激光器的外延技術(shù)。大規(guī)模外延生產(chǎn)線建設(shè)的關(guān)注點(diǎn)包括降低成本、提高產(chǎn)量和晶圓片上均勻性。II-VI公司和長光華芯均報(bào)道了MOCVD 生長6 inch GaAs基高功率量子阱激光器的大量生產(chǎn)的均勻性與穩(wěn)定性。晶圓片內(nèi)波長標(biāo)準(zhǔn)差僅為 0.56 nm。同一爐次內(nèi)片間差異性小，不同位置的襯底翹曲均保持在20 km-1以下，晶圓間平均溫度波動(dòng)僅 2 ℃ ，如圖1所示。同時(shí)低電阻隧道結(jié)生長技術(shù)、拓展波長的高應(yīng)變量子阱生長技術(shù)和低缺陷再生長技術(shù)也備受關(guān)注。

圖1 MOCVD生長參數(shù)的過程監(jiān)控。（a）同批次生長8片晶圓的曲率；（b）9xx nm外延結(jié)構(gòu)生長過程中晶圓的溫度分布

       持續(xù)強(qiáng)勁的芯片需求量和持續(xù)下降的芯片價(jià)格促使晶圓制造向更大的晶圓尺寸和更自動(dòng)化可控生產(chǎn)方向發(fā)展。頭部芯片制造商從完善的3 inch GaAs平臺(tái)過渡到6 inch GaAs平臺(tái)。隨著高功率芯片的工業(yè)化生產(chǎn)需求，全自動(dòng)和半自動(dòng)的腔面處理專業(yè)設(shè)備出現(xiàn)。商業(yè)化代表的公司包括 SVTA、RIBER和 VEECO。長光華芯等國內(nèi)公司也研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)化生產(chǎn)真空解理腔面鈍化以及離子清洗鈍化設(shè)備。

2、高效率高功率邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片

       功率與效率是半導(dǎo)體激光器芯片的核心性能指標(biāo)。非對稱波導(dǎo)的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)內(nèi)損耗和電阻的同步優(yōu)化成為提升效率的重要方向。2006 年 Crump 等報(bào)道了室溫下直流測試峰值效率達(dá)到 76% 的980 nm 單管器件。2020年Fujikura 公司采用了加強(qiáng)的非對稱波導(dǎo)設(shè)計(jì)，在 9xx nm 波長的器件上實(shí)現(xiàn)了74% 的峰值效率，工作效率超過70%@20 W。

       除芯片結(jié)構(gòu)外，降低溫度為效率的提升提供了新維度。2006 年Crump 等采用專為低溫條件工作設(shè)計(jì)的外延結(jié)構(gòu)，獲得了在-50 ℃直流條件下峰值效率高達(dá)85% 的 975 nm 巴條器件。2025年Crump等提出具有更低閾值以及更高斜率的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其室溫效率有望接近80%。

       不同波長激光器效率現(xiàn)狀如圖2所示，相比 9xx nm 的激光器，7xx~808 nm 器件由于量子阱材料增益低、波導(dǎo)材料的載流子限制能力不足、遷移率低，其效率受到更大的限制。多年來研究者們通過材料和器件結(jié)構(gòu)的多方面探索，其室溫峰值效率也達(dá)到70% 。2024年，Wang等利用GaAsP量子阱替換 AlGaInAs 量子阱，780 nm 器件的室溫峰值效率達(dá)到創(chuàng)記錄的71%。

圖2 不同波長邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器效率發(fā)展現(xiàn)狀

       提高半導(dǎo)體激光器功率的設(shè)計(jì)主要聚焦在提高芯片的溫度特性和散熱能力上。2025年，Ermolaev等報(bào)道溫度特性優(yōu)化的975 nm芯片，功率提高到52W。增加器件的腔長有利于提高散熱能力。2017年，Gapontsev 等報(bào)道了5.1 mm 腔長、100 μm 條寬的 976 nm激光芯片，輸出功率超過30W。

       增加芯片寬度也是提高散熱能力的另一途徑。Todt 等報(bào)道了320μm 條寬的976 nm 激光芯片，額定工作達(dá)到 45 W，效率達(dá)到65%。

       相比9xx nm波段，7xx~808 nm 波段的功率面臨更嚴(yán)重的熱飽和挑戰(zhàn)。2011年 Bao 等報(bào)道磷化物和砷化物共存的有Al 體系，200μm 條寬芯片輸出功率接近25 W。Wang等通過對外延結(jié)構(gòu)光限制因子和波導(dǎo)非對稱性進(jìn)行優(yōu)化，100 μm 條寬的808 nm芯片上實(shí)現(xiàn)了直流 19 W 的功率輸出。不同波長激光器效率現(xiàn)狀如圖3所示。

圖3 不同波長邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器功率發(fā)展現(xiàn)狀

       多結(jié)芯片為高功率高效率芯片提供了新的技術(shù)路徑。2024 年，Wang 等研發(fā)了500 μm 條寬的雙結(jié)邊半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)了132.5 W 的直流功率輸出，峰值效率70%.

3、高亮度邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片

       近十年提出的提升高功率半導(dǎo)體芯片側(cè)向光束質(zhì)量的策略包括優(yōu)化發(fā)光區(qū)橫向結(jié)構(gòu)的熱流路徑、采用電流阻擋層抑制邊緣載流子堆積、加強(qiáng)模式濾波選擇性損耗等。

       2023 年，Liu 等采用階梯金屬微熱通道結(jié)構(gòu)，降低熱透鏡效應(yīng)，230μm 注入?yún)^(qū)寬度的器件上，38 W時(shí)側(cè)向亮度超過3.5 W/(mm?mrad）。2024年，King 等通過兩步外延生長和氧離子注入，抑制側(cè)向載流子積累效應(yīng)，在100 μm 條寬器件上19 W 時(shí)側(cè)向亮度保持3.4 W/（mm·mrad）。2020年，Kanskar 等報(bào)道減模技術(shù)在17 W 輸出時(shí)慢軸亮度達(dá)到4.0 W/（mm·mrad）。

       另一方面，錐形半導(dǎo)體激光器能在接近衍射極限的光束質(zhì)量條件下高功率輸出。2017年，杜維川研究組和Müller研究組分別報(bào)道的集成DBR（分布布拉格反射鏡）的錐形半導(dǎo)體激光器，近衍射極限功率突破10W。

4、波長鎖定邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片

       內(nèi)部光柵波長鎖定芯片的關(guān)鍵性能參數(shù)是在所要求光譜寬度內(nèi)的功率和轉(zhuǎn)換效率。

       為降低光柵引入的光學(xué)損耗和電阻，提高DFB(分布反饋)激光器的功率和效率，2012 年，Schultz等報(bào)道了基于原位刻蝕技術(shù)的淺光柵DFB激光器，實(shí)現(xiàn)了12 W@100 μm 高輸出功率和 60% 的轉(zhuǎn)換效率。 2024年，Kanskar 等開發(fā)了980nm寬條高效波長鎖定激光芯片，輸出功率22 W。在7xx波段，2025年，Zhu等通過改善光柵材料的氧污染和生長缺陷， DFB 激光器在室溫功率超過10 W@195 μm。不同波長DFB激光器功率見圖4。

       表面光柵半導(dǎo)體激光芯片避免了掩埋光柵所涉及的外延問題，顯著簡化了芯片工藝。Elattar等采用反射率達(dá)到95%的表面光柵DBR，873 nm 的器件上實(shí)現(xiàn)了 27.2 W 的輸出功率。

圖4 每100 μm條寬不同波長DFB激光器功率發(fā)展圖

5、光纖耦合合束半導(dǎo)體激光器模塊

       單管光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊憑借無需復(fù)雜繁瑣的光束整形、激光單元間隔大、功率高及支持緊湊冷卻方案等優(yōu)點(diǎn)，成為光纖激光泵浦的優(yōu)選方案。

       為降低光纖激光系統(tǒng)成本并滿足高亮度需求，單管芯片發(fā)光區(qū)寬度從75 μm 擴(kuò)展至320 μm，使模塊功率從10年前的百瓦級躍升至當(dāng)前1900 W @300μm水平，如圖5所示。 

圖5 多單管光纖耦合泵浦模塊的功率與亮度關(guān)系

6、單管波長鎖定光纖耦合合束半導(dǎo)體激光器模塊

       窄譜寬半導(dǎo)體激光器通常包括 VBG 復(fù)合外腔激光器、DFB/DBR 或可調(diào)諧外腔激光器。

       長光華芯于2024年推出了325 W/200 μm 的888 nm VBG波長鎖定光纖耦合激光器，推動(dòng)高功率紫外皮秒和納秒固體激光器發(fā)展。堿金屬泵浦的核心挑戰(zhàn)在于堿金屬吸收譜線極窄（<0.1 nm）。Tobias 團(tuán)隊(duì)將VBG與閉環(huán)溫控波長鎖定方案結(jié)合，實(shí)現(xiàn)430 W/56 pm 光纖耦合輸出的780 nm 泵源。

       為滿足高能激光“瞬時(shí)啟動(dòng)"需求，基于片上波長鎖定激光芯片的模塊近年成為研究熱點(diǎn)。 nLight在2024年報(bào)道了基于片上波長鎖定芯片的光纖耦合模塊，輸出功率>600 W@220 μm，波長鎖定時(shí)間縮短至毫秒級。

7、高亮度光纖耦合合束半導(dǎo)體激光器模塊

       光譜合束技術(shù)原理如圖6所示。美國 Teradiode 公司通過創(chuàng)新的半導(dǎo)體巴條多通道光譜合束方案，研發(fā)出千瓦級高亮度光纖耦合直接半導(dǎo)體激光器系列產(chǎn)品，其光束質(zhì)量（BPP≤4 mm·mrad）達(dá)到工業(yè)級光纖激光器與碟片激光器的同等水平。

       基于單管的光譜合束避免了熱過度集中、容易產(chǎn)生串?dāng)_、單個(gè)發(fā)光點(diǎn)失效影響整個(gè)器件性能等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高效率的高亮度激光光源。Yu等報(bào)道了基于單管的光譜合束技術(shù)，該技術(shù)取得了光纖耦合2.1 kW@100 µm 直接半導(dǎo)體激光輸出，效率達(dá)到 53%。

圖6 光譜合束原理示意圖

       在激光加工市場高速增長與國家**戰(zhàn)略需求的驅(qū)動(dòng)下，國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)了一批以上市公司蘇州長光華芯為代表的創(chuàng)新技術(shù)企業(yè)。研究機(jī)構(gòu)如半導(dǎo)體所、長春光機(jī)所、中國工程物理研究院等與公司深度產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，推動(dòng)我國高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)已實(shí)現(xiàn)從“跟跑"到“并跑"的跨越，部分領(lǐng)域達(dá)到水平，尤其在批量制造方面處于地位。

       未來相關(guān)企業(yè)繼續(xù)深度融合，以精細(xì)化、體系化、多指標(biāo)協(xié)同優(yōu)化的路徑，進(jìn)一步加速技術(shù)進(jìn)步，在這一領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大國產(chǎn)化替代和超越，鞏固相關(guān)技術(shù)地位。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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