半导体激光器发展现状与趋势(精)_半导体激光器发展现状

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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。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 41 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

是电2光效率、体积和寿命,对军事部门非常有吸引力。美国Fibertek公司1991年向陆军交付一台战术用通信发射机,波长532 nm、功率015J/脉冲。1990年麦道公司已开始在F/A218战斗机上试验LD泵浦固体激光测距仪,1991年春投入批量生产。这种激光器已用于相干光雷达。785nm LD泵浦的Ho:YA G红外激光器还作为干扰机源干扰红外制导导弹,波长为2μm,室温输出40W平均功率。

LD泵浦的固体激光器应用市场年增长率达80%以上,1996年民用市场为3114台,1997年增长到4753台,产值分别达到5298万美元和877211万美元。军用市场的产量少于民品,但产值较高,因军用器件功率和可靠性等要求高于民品。

大功率LD输出更广泛地是直接应用。随着近几年来输出功率不断提高,它在两用市场中越来越活跃。在军用上,主要是成像雷达、激光测距(1500m左右、武器引爆、武器模拟和卫星之间的大气通信等。雷达主要是820~850nm波长LD及阵列,激光测距和武器引爆用800~900nm大功率脉冲激光器,武器模拟用904nm激光器,大气通信也采用820nm左右的窄光束大功率LD。在民用方面,材料加工和印刷以及医疗是增长最块的市场,年增长率在50%左右。所以说,800nm波长大功率LD是整个半导体激光市场上最耀眼的明星,是量子阱LD最早实用化的波长区。

在980~1550nm长波长区,980nm、1017nm以及1480nm波长以光放大器泵浦光源为目的,特点是大功率和单模输出单元器件。其中1480nm In G aAsP/InP长波长大功率LD最早实用化,用于1550nm波长光放大,80年代中后期用F2P结构,90年代开始以量子阱为主,已形成30mW、50 mW、70mW和100mW系列产品,研制水平可达到500mW以上单模。980nm In2 G aAs/G aAs大功率LD用于1155μm掺铒光纤放大器,吸收效率更高,噪声更低,因而比1480nm泵浦源更受欢迎。目前这两种放大器用泵浦源都很成熟,在无中继长途大容量数字光通信和孤子波传输系统广泛应用。1017nm波长In G aAlAs/G aAs大功率LD是113μm波长掺钋光放大器用泵浦源,是近几年内发展起来的,已有批量产品,单模输出功率在100mW以上。由于113μm 光纤系统在中短距离和中容量的巨大市场,该器件市场潜力很大。

113μm和1155μm In G aAsP LD分别是石英玻璃光纤零色散和最低损耗区的光源。经三个技术阶段的发展,113~1155μm波长LD生产技术已成熟。L PE生长的F2P结构113μm LD在80年代中期以前,用于陆地和部分越洋长途干线;1986年DFB结构113μm LD上市,F2P结构器件价格下跌,从上千美元降到数百美元。80年代末期,长途系统应用1155μm DFB LD,F2P LD用于中短系统。同时量子阱结构与DFB结合起来,开发出215Gb/s的产品,工艺技术以MOCVD为主。90年代以来,应变层量子阱技术作为研制器件技术广泛应用,L PE除作为部分生产技术保留外,已完全退出长波长LD研制舞台。长波长LD由于价格远高于短波长LD,其产值在整个LD市场超过50%。其市场主要受发达国家和发展中国家光纤通信设施的促动。这些LD的生产厂家主要分布在日本、北美、欧洲,厂商包括日本的富士通、日立、N EC,北美的朗讯技术和北方电信光电子公司,欧洲的阿尔卡特尔、爱立信和一批小供货商。215Gb/s的1155μmDFB LD广泛应用于更新长途网络,利用4支这种1155μmDFB LD波分复用(WDM的10Gb/s 系统正在逐步建立。在系统的局间段、中央

交换局之间光纤线路用622Mb/s或215 Gb/s LD,在中央局和用户之间主要用113μm F2P LD,传输速率为155Mb/s左右。半导体激光器发展趋势

为了满足21世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量,以及军用装备小型高精度化等需要,半导体激光器正趋向以下几个发展方面,并取得一系列重大进展。

311高速宽带LD 高速宽带LD主要是113μm和1155μm波长LD,用于高速数字光纤通信和微波模拟光信息传输、分配与处理。潜在市场是未来的信息高速公路和军事装备。高速宽带LD从80年代中期长波长光源商品化后便大量开发,主要通过改进管芯制作和

封装技术。最早的高速LD用SI衬底窄有源区BH结构。美国GTE用L PE和V PE两次外延生长的113μm ln G aAsP LD,本征谐振频率超过22GHz,3dB带宽24GHz;Lasertron、罗克韦尔国际公司均用类似结构获20GHz以上带宽[3]。这种结构因谐振腔小,输出功率受限制。80年代末起,普遍采用DFB技术。90年代以来,又将量子阱引入到有源区中[4]。目前高速BH LD和MQW+DFB LD都已达到商品化,用于10 Gb/s高速数字光纤系统和Ku波段微波模拟光传输。

近几年来,更普遍地将应变层量子阱技术用于高速宽带LD[5]。据理论研究证明: LD的调制带宽特性主要由它的弛豫振荡频率f r和阻尼速率α决定,f r可表示成f r= 1 2πv 2 g Γαd G d N S = 1 2π v gгα hυV actαm d G

dN P 式中v g是谐振腔的群速度,α是总的腔损

耗,Γ是光限制因子,d G/d N是微分增益,S是腔内的光子密度,hυ为光子能量, V act为有源区体积,P是发射光功率。对于大的f r,可通过应变层量子阱来提高d G/ d N,减小有源层体积V act,并增加量子阱层数减少αm等来实现。有人预测,压应变In x G a1-x As/InP MQW LD的本征3dB带宽可达到90GHz,而且应变量子阱可使LD 的特征温度、阈值电流、输出功率等主要参数全面改善。如西门子报道的0198μm压应变ln G aAs/G aAs4阱LD,本征带宽达到63 GHz,3dB带宽达到30GHz;贝尔实验室和朗讯技术公司开发的应变补偿ln G aAs2 G aAsP2In G aP MQW LD,内量子效率80%, 3dB带宽25GHz,低至0115ns的K因子证明了59GHz的最大3dB带宽。德国固体物理应用所等研制的In G aAs2G aAs MQW LD以20Gb/s实现无制冷130℃高温工作。312大功率LD 半导体激光器大功率化趋势仍将集中在800nm波段,其次是2μm左右。在800nm 波段,光泵浦源又是重点[6]。其发展趋势:一是侧面发射1cm阵列条堆积组件。其基本结构是先把若干1cm阵列条横向拼装成为光子组合块(L SA,然后将许多“L SA”纵向堆积成堆(stack,随即把几个“stack”集合成集合块(manifold,最后把许多“manifold”组合成大阵列。美国的SDL将50个100W的L SA构成manifold,通过2×2manifold获得20000W峰值功率;用44个100W的L SA构成4×4mani2 fold获得了70400W峰值总功率。

二是开发表面激射的二维阵列。这种结构从技术上讲本身就具备一次性形成单片式超大功率LD的潜力,其次是便于以后集合成超大功率LD组件。目前正在开发的表面大功率LD阵列结构有DBR二次折射光栅、曲形谐振腔和45°角内腔微反射镜。休斯公

司danbury光电系统用二次折射光栅G aAlAs DBR结构,以3×4元阵列获得20 W CW输出,这种光源可用于100km左右的远程激光雷达;麻省理工学院林肯实验室利用谐振腔朝上弯曲的曲形腔面发射结构获40W CW输出;法国汤姆逊公司采用这种方式获得了单片1000W准连续工作(QCW;SDL积极开发45°内腔微反射镜面阵,以4×12元获得132W CW输出功率。313短波长LD 对于光信息存储而言,波长越短越有利于聚焦成小光斑,从而增加信息存储密度和容量;许多信息系统终端的感光体的感光度也与光源的波长成反比;在显示方面,绿色是基色之一,所以蓝2绿光已成为全色显示的关键。在600nm以上LD商品化之后,蓝2绿光LD就成了短波长化的主要目标。1991年,美国3M公司的Cheng等人解决了ZnSe材料的p型和n型掺杂技术,以量子阱结构首次报道490nm蓝光激射,使多年徘徊不前的Ⅱ-Ⅴ族材料研究向实用化器件迈出了历史性一步。此后器件研究活跃起来,日本的索尼、松下、日亚,美国的3 M、IBM,欧洲的菲力浦等,以及许多大学都在开发这种器件。1993年[7,8],日本索尼公司523nm ZnSe蓝2绿LD室温下CW工作;1997年室温下CW工作时间超过100小时。同时用于蓝2绿LD的材料还有G aN,日亚的In G aN LD也已实现了室温下CW工作。最近又超过300小时的CW工作时间。两种材料均存在晶体生长中缺陷引起可靠性问题,哪种材料的LD最先进入商品市场目前还难说。但可以肯定蓝2绿光LD在下世纪将成为重点商品化器件。

314量子线和量子点激光器

量子线激光器和量子点激光器的概念是1982年由东京大学尖端技术研究中心的荒川泰彦等人提出来的[9]。在通常的量子阱中,电子在层厚度方向量子化,电子能够沿着薄膜的平面内自由运动,电子的自由度变成2,其态密度呈台阶函数曲线。与此相比,在量子线和量子点中,电子的自由度分别变成1和0。尤其是在量子点结构中,电子已不能自由运动了。随着自由度趋向于0,电子的态密度分布形状将越尖锐。它引起的结果是电子能级分布与增益谱集中,因此对相同的载流子浓度,自由度减少,增益峰值就变高,而使阈值电流明显下降。据理论预测,量子点LD的阈值电流可低于1μA。

另一方面,由于态密度尖锐化,伴随温度上升由费米函数引起的增益扩张得以抑制,这等于抑制了阈值电流的温度依赖性,提高了特征温度系数T0。量子限制效应还使LD的调制带宽和光谱线宽等动态特性大幅度改善。因微分增益g由于量子效应而增大(g的平方根与弛豫振荡频率f r成正比,线宽增强因子α由于量子效应而下降。

量子线和量子点激光器80年代完成理论研究,90年代进入广泛工艺实施阶段。国外有大量公司、研究所和院校在进行该领域的研究。为了实现室温下量子线或量子点LD CW工作,线尺寸必须减少到20nm以下,而且尺寸误差必须十分小。这对微细加工技术提出了严峻的挑战。

目前的试制技术大致分成两类:微细加工与晶体生长法。前者可以是电子束、聚焦离子束、X射线光刻和掩模;后者有横向生长、倾斜衬底台阶气相生长、激光辅助原子束外延(AL E生长等。微细加工技术使用最广的是先在衬底刻蚀出沟槽(Ⅴ形,然后进行选择性生长线结构。贝尔通信研究所(Bellcore最早采用,获80nm量子线和013mA阈值电流,东工大、韩国大学、中科院等均用这种技术获得60~80nm宽量子线。晶体生长法,最近几年来自组织法使用最广。它是1993年,日本N TT公司的81 第 12 卷第 4 期 光电子技术与信息 1999 年 8 月 天明二郎等人用 MOV PE 在 GaAs 衬底上生 长 In GaAs/ Al GaAs 量子阱过程中 , 偶然发 现的纳米尺寸自组织现象。在(311 B 衬 底上 , 生长 In GaAs 薄膜后 , 在高温下中断 几分钟 , 便在内部自动形成 100 nm 以下尺 寸的应变量子点。它比人工法形成的低维化 结构显示出更优良的晶格质量与界面结构 , 而且尺寸在 20 ～ 100 nm 范围可控制 , 是目 前最有前途的量子点形成技术。N T T、富 士通公司、密执安大学、柏林大学等都用这 种技术研制了量子点激光器 , 尺寸最小在 20 nm 以下 , N T T 还获得室温振荡成功。目前量子线和量子点激光器仍处于基础 研究阶段 , 还有许多技术问题 , 但它必将成 为下世纪新一代高性能 LD。大功率中红外(3 ～ 5 μm LD 是目前 急需的半导体光源 , 它在红外对抗、红外照 明、激光雷达、大气窗口自由空间通信、大 气监视和化学光谱学等方面有广泛应用前 景。近几年来 , 中红外 LD 在工作温度和输 出功率提高方面取得了明显进展 , 主要采用 一般量子阱和新开发的量子阱结构。在普通 的 QW 结构中(I 型 , 电子和空穴被限制 在相同的层内。因 Ga InAsSb 和 Al GaAsSb 能够形成 I 型能带对准 , 以有效地限制载流 子并 提 供 良 好 的 光 波 导 2 μm 波 长 , 由 Ga InAsSb 有源层和 Al GaAsSb 限制层构成 的 LD 自 80 年代以来获得广泛开发 , 在 2 μ m CW 工作高达 400 K , 在 217 μm CW 工 作到 234 K , 在 315 μm 到 175 K , 在 319 μ m 到 128 K。由 1 μm LD 阵列泵浦的 4 μm 激光器在 92 K 产生 2 W 的峰值功率和 240 mW 的平均功率。Ⅱ 型结构的激射作用是 1986 年由前苏 联 科 学 家 首 次 报 道 的 , 90 年 代 引 入 Ga InSb/ InAs 超晶格。在 Ⅱ 型结构中 , 电子 和空穴被限制在不同的外延层内 , 光学跃迁 315 中红外 LD 选取不受 Sb 化合物限制 , 波长可更长。通 过调节不同材料组分和 QW 厚度 , 在 5 ～ 8 μm 工作的级联激光器已实现高达 320 K 脉 冲工作和 140 K CW 工作 , 脉冲功率在 300 K 达到 200 mW/ 面。LD 和高性能 LD 的开发 , 下世纪半导体 LD 通过隧道发生。这种结构的 LD 在 218 和 413 μm 波长之间脉冲工作达 160 K , 最好 性能是 312 μm 获 255 K 的最大脉冲工作温 度。Ⅲ 型结构一般是在 QW 中使用内子带 [ 10 ] 跃迁 , 又叫做量子级联(QC 激光器。对于 Ⅰ型和 Ⅱ型结构 , 在 GaSb 或 InAs 衬 底上生长含 Sb 合金 , 因为它们的禁带能级 适合用于中红外激射 , 而内子带激光器的激 射波长由能带偏移和量子阱厚度决定 , 材料 除上述三种技术外 , 利用现在十分成熟 的近红外 LD 作泵浦源 , 不失为获得中红外 大功率的有效途径。1994 年 , 林肯实验室 用 0194 μm LD 作泵浦源 , 先后通过泵浦 Ga InAsSb/ Al GaAsSb 和 InAsSb/ AlAsSb DH 结构 , 在 3～4 μm 波长和 95 K 温度下获得 1 ms 脉冲 1 W 以上峰值功率;通过优化结 构、改进封装降低热阻在 3195 μm、92 K 取得了 2 W 峰值功率和 240 mW 平均功率;用 Ⅰ QW 和 Ⅱ 型 型结构 , 在 3 ～ 4 μm 也获 得了 1 W/ 面以上峰值功率。

4结束语

半导体激光器在红光和 115 μm 波段范 围以内的技术已十分成熟 , 大量的商品器件 将涉足更广泛的两用领域 , 保持持续高速的 市场增长。19 在军、民两用的广大市场上受到欢迎。截止 1997 年底 , 全世界的LD 销量已超过 211 亿 支 , 产值超过 20 亿美元 , 占世界整个激光 市场 的 2/ 3 强。随 着 新 型 波 长(短、长

第 12 卷第 4 期 光电子技术与信息 1999 年 8 月 参考文献 1

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Diode lasers represent t he largest share of t he worldwide laser market , and are used widely in many fields.In order to meet to request for higher performance diode lasers next cent ury , far inf rared wavelengt h.As new a generation device quant um dot lasers are being researched and developed wit h an effort.Key words diode lasers , optical communication , optical memory it ’s develop ment are t rending towards wide bandwidt h , high power , short wavelengt h and mid2(上接第 13 页 ing for high density data storage and various aspect s aociated wit h t his recording technology , mechanisms.Finally , develop ment s of recording medium is discued.20 crystals;Second , application of two2 p hoton absorption to t hree2 dimension density optical data namely , fiber probe fabrication and characterization , and apert ure2medium separation cont rol Key words holograp hic data storage , two2p hoton absorption , optical near2 field recording

This article int roduces recent advances in high2density optical data storage.First , we will discu t hree2 dimension holograp hic memory systems , including multiplexed recording met hods such as multi2wavelengt h , multi2 angle , nondest ructive readout met hod , error correction in vol2 ume holograp hic memory systems and lifetimes of t hermally2fixed holograms in p hotoref ractive storage is described.Following t his , we will review recent advances in optical near2field record2

Recent Advances in High2Density Optical Data Storage W ang W ei w ei M i ng Hai(Department of Physics , University of Science and Technologyof China Hefei

230026 Abstract