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材料与器件

半导体激光器发展现状与趋势 何兴仁

(重庆光电技术研究所 重庆 400060 摘 要

半导体激光器占有整个激光器市场的最大份额,并广泛应用于各个领域。为了满足下世纪对更高性能光源的需要,它正朝向宽带宽、大功率、短波长以及中远红外波长发展。量子点激光器作为新一代高性能器件,正在大力开发当中。

关键词 半导体激光器,光通信,光存储 1 前 言

半导体激光器又称为二极管激光器(LD,是目前应用最广泛的光电子器件之一。LD最早大批量应用起始于90年代初的音响CD演放器。此后,随着生长技术的进步、器件量产化能力的提高、性能的改善及成本的下降,LD陆续扩展到许多其它应用领域,包括CD2ROM驱动、激光打印、可擦除光存储驱动、条码扫描、文娱表演、光纤通信,以及航空和军事应用(如军训模拟装置、测距机、照明器、C3I等。由于LD 的开发始终与迅速增长的用户终端和消费市场,尤其是与计算机、通信技术和军事应用市场紧密结合,其技术和市场一直呈现高速增长趋势。LD的关键技术外延生长技术,由早的L PE发展到普遍采用的MB E和MOCVD,外延材料也因此由体材料演变到超晶格或量子阱之类的人构能带工程材料。LD的阈值电流、响应频率、输出功率、工作温度等主要性能参数大幅度改进,新型器件层出不穷。面向下世纪信息传输宽带化、信

收稿日期:1999202201息处理高速化、信息存储大容量化,以及武器装备高精度、小型化,LD借助于一系列先进技术将继续高速发展。

2 技术与应用现状

按照波长和应用领域,LD可大致分为长波长和短波长。实用化短波长LD覆盖635~950nm范围,以G aAs为衬底外延制作而成,是目前市场上用量最大的器件。在InP衬底上制作的长波长LD,波长范围在950~1550nm,以光纤通信应用为主,其中980nm和1480nm大功率LD用作光纤放大器的泵浦光源[1,2]。

短波长LD对于不同的应用又可分成不同种类。780nm器件是最早的实用化LD,输出功率3mW,用普通的F2P结构,80年代中期用MOCVD实现大批量生产,当时近10家日、美公司生产这种器件。用MOCVD每次可加工30片3英寸的G aAs外延片,所以780nm波长LD已成为最廉价的激光产品。主要用于音响CD放机、CD2ROM

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计算机驱动、CD2ROM电视游戏机、迷你放机(只读和激光盘放机等。低档桌上激光打印机用量也占相当数量。该器件的四大生产厂家全集中在日本:松下、索尼、罗本和夏普。目前780nm的LD每年用量已达到1亿支。

670nm以下的Al G a InP红光LD是90年代以来发展最快的半导体光源之一。它采用MOCVD和应变量子阱技术。1985年,日本N EC实现室温连续工作,1988年东芝最先推出670nm产品。90年代红光LD进入条码扫描、激光打印和塑料光纤通信等领域,年市场增长率达100%。到1996年止,全世界用于上述领域的红光LD已接近年用量500万支。这里特别值得一提的是635 nm~650nm的DVD放机用LD。1995年12月,索尼、菲力浦、Time Warner、东芝与松下、日立、三菱、胜利、先峰,以及后来参加的Thomson2CSF就通用型DVD的标准细节达成最后协议,这不仅掀起一场音像市场的革命,更为红光LD的生产开辟了巨大的潜在市场。预计2000年DVD放像机年产量将超过5000万台。从1996年底开始,三洋每月生产20万支DVD用LD,预计1997年每月提高产量到50万支。夏普、日电每月生产能力可增加到100万支,松下20万支。这些器件均是在G aAs衬底上通过应变层量子阱结构实现,功率3~5mW, I th15mA左右。1997年中期后,这些日本公司又陆续生产

30mW的可写入DVD用LD。这些足以说明应变层量子阱技术在600 nm波段LD生产中应用完全成熟。

800nm波段LD用途最广泛,其主要特点是大功率。功率提高也是LD实用化的突破口。早在70年代中期,G aAs大功率脉冲激光器就开始用于激光制导和军训。尤其是80年代初,超薄层工艺技术突破,量子阱结构使LD的单管输出功率突破1W (CW的瓶颈。1986年1W以上LD陆续上市。几瓦以上功率的器件有两种:500μm 宽的单条形多模器件和多条形多模阵列。4 W以上功率一般均采用多条形单片阵列。根据现有工艺条件,此功率级的标准产品为1 cm宽阵列条。由单个多条形阵列或若干阵列的组合,可实现更大的输出。对于要求峰值功率的应用,这些阵列条可工作在脉冲模式(QCW,提供100~300W QCW功率。需超过20W CW功率时,可把大功率阵列条以垂直方向堆积,由于这种方式散热困难,堆积组件通常都以Q CW工作。商品市场上的堆积组件脉冲功率高达5kW。个别军用组件功率更大。世界上800nm左右大功率LD研制生产水平最高的是美国的SDL和Optical Power公司。它们提供的大功率器件占世界市场的60%以上,其次是日本三菱和德国西门子公司。SDL能提供10W~30W CW产品系列,以及数千瓦的脉冲系列堆积组件。Optical Power公司的1 cm单片阵列条输出已超过20W的极限。它们通过改进外延工艺和热监控技术,使1 cm阵列条形LD功率增加一倍,在915nm 峰值波长上单片CW功率达40W,光纤耦合功率30W,脉冲功率155W(水冷条件下。

大功率半导体激光器的应用方式可分为两种:一种作为泵浦固体激光器的泵浦源,另一种是直接利用LD的辐射。808nm LD 泵浦的固体激光器已用于材料加工、光通信、光存储、图像记录等民用领域,以及制导、测距、照明、大气传输等军用领域。固体激光器的传统泵浦源以闪光灯为主,其主要缺点是体积大、寿命短、能耗高、效率低,这些不足正是LD的长处。LD功率低和光束质量差又是固体激光器的优势,所以用LD泵浦固体激光材料,可以优势互补、扬长避短,全面改进固体激光器性能,尤其

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