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、CD2ROM41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51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61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。

3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。