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現(xiàn)不斷突破。

       四川大學(xué)教授、長光華芯技術(shù)官王俊團隊總結(jié)了近10年來該領(lǐng)域的技術(shù)進展：聚焦功率效率提升瓶頸，重點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僅 2 ℃ ，如圖1所示。同時低電阻隧道結(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)強勁的芯片需求量和持續(xù)下降的芯片價格促使晶圓制造向更大的晶圓尺寸和更自動化可控生產(chǎn)方向發(fā)展。頭部芯片制造商從完善的3 inch GaAs平臺過渡到6 inch GaAs平臺。隨著高功率芯片的工業(yè)化生產(chǎn)需求，全自動和半自動的腔面處理專業(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)計理念實現(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 等報道了室溫下直流測試峰值效率達到 76% 的980 nm 單管器件。2020年Fujikura 公司采用了加強的非對稱波導(dǎo)設(shè)計，在 9xx nm 波長的器件上實現(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)計的外延結(jié)構(gòu)，獲得了在-50 ℃直流條件下峰值效率高達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，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 等報道了320μm 條寬的976 nm 激光芯片，額定工作達到 45 W，效率達到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)非對稱性進行優(yōu)化，100 μm 條寬的808 nm芯片上實現(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 時側(cè)向亮度保持3.4 W/（mm·mrad）。2020年，Kanskar 等報道減模技術(shù)在17 W 輸出時慢軸亮度達到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等報道了基于原位刻蝕技術(shù)的淺光柵DFB激光器，實現(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等采用反射率達到95%的表面光柵DBR，873 nm 的器件上實現(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，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 團隊將VBG與閉環(huán)溫控波長鎖定方案結(jié)合，實現(xiàn)430 W/56 pm 光纖耦合輸出的780 nm 泵源。

       為滿足高能激光“瞬時啟動"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。 nLight在2024年報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)_、單個發(fā)光點失效影響整個器件性能等缺點，實現(xiàn)高可靠性、高效率的高亮度激光光源。Yu等報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)。研究機構(gòu)如半導(dǎo)體所、長春光機所、中國工程物理研究院等與公司深度產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，推動我國高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)已實現(xiàn)從“跟跑"到“并跑"的跨越，部分領(lǐng)域達到水平，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，進一步加速技術(shù)進步，在這一領(lǐng)域進一步擴大國產(chǎn)化替代和超越，鞏固相關(guān)技術(shù)地位。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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