本文作者王立軍，寧永強，秦莉，佟存柱，陳泳屹，發光學及應用國家重點實驗室，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，僅作交流學習之用，感謝分享！
1 引 言
雷射是 20 世紀以來繼原子能、電子計算機、半導體之後人類的又一重大發明。半導體雷射科學與技術以半導體雷射器件為核心，涵蓋研究光的受激輻射放大的規律、產生方法、器件技術、調控手段和應用技術，所需知識綜合了幾何光學、物理光學、半導體電子學、熱力學等學科。
半導體雷射歷經五十餘年發展，作為一個世界前沿的研究方向，伴隨著國際科技進步突飛猛進的發展，也受益於各類關聯技術、材料與工藝等的突破性進步。半導體雷射的進步在國際範圍內受到了高度的關注和重視，不僅在基礎科學領域不斷研究深化，科學技術水平不斷提升，而且在應用領域上不斷拓展和創新，應用技術和裝備層出不窮，應用水平同樣取得較大幅度的提升，在世界各國的國民經濟發展中，特別是信息、工業、醫療和國防等領域得到了重要應用。
當前，國際上半導體雷射的發展正處於新一階段的快速發展時期，而我國的雷射科學技術基本保持了與國際同步發展的態勢。從社會全面發展、產業經濟提升、國防安全應用和經濟結構轉型等各方面，從國家競爭性發展的角度，對包括半導體雷射科技的全面創新和產業應用的轉型發展提出了更為明確的需求。本文對半導體雷射器的發展歷史和現狀進行了綜述，並且具體介紹了長春光學精密機械與物理研究所近年來在大功率半導體雷射器，特別是在大功率半導體雷射器的雷射光源、垂直腔面發射雷射器和新型雷射器晶片等方面所取得的成就。
2 大功率半導體雷射器的發展歷程
1962 年，美國科學家宣布成功研製出了第一代半導體雷射器———GaAs 同質結構注入型半導體雷射器。由於該結構的雷射器受激發射的閾值電流密度非常高，需要 5 × 10^4 ～ 1 × 10^5 A/ cm2，因此它只能在液氮製冷下才能以低頻脈衝狀態工作。從此開始，半導體雷射器的研製與開發利用成為人們關注的焦點。
1963 年，美國的 Kroemer 和前蘇聯科學院的Alferov 提出把一個窄帶隙的半導體材料夾在兩個寬帶隙半導體之間，構成異質結構，以期在窄帶隙半導體中產生高效率的輻射複合。隨著異質結材料的生長工藝，如氣相外延(VPE)、液相外延(LPE) 等的發展，1967 年，IMB 公司的 Woodall 成功地 利 用 LPE 在 GaAs 上 生 長 了 AlGaAs。在 1968—1970 年期間，美國貝爾實驗室的 Panish， Hayashi 和 Sμmski 成功研究了 AlGaAs/GaAs 單異質結雷射器，室溫閾值電流密度為 8.6 × 10^3 A/ cm2，比同質結雷射器降低了一個數量級。
正當美國學者們致力於單異質結雷射器的研究時，前蘇聯科學院約飛物理研究所的 Alferov 等宣布研製成功雙異質結半導體雷射器( HD-LD) 。該結構是將 p-GaAs 半導體有源區夾在寬禁帶的n-AlGaAs 層和 p-AlGaAs 層之間，使得室溫下的閾值電流降低到 4 × 10^3 A/cm2。雙異質結構半導體雷射器閾值電流密度之所以能夠明顯降低，主要是依靠雙異質結的兩個作用: ( 1) 有源區兩邊包層材料的帶隙寬於有源區材料的帶隙，這使得注入雙異質結半導體雷射器的載流子被有效地限制在有源區內，以利於產生高的增益; ( 2) 有源區材料的折射率大於兩邊包層材料的折射率，形成的光波導結構能將大部分光限制在有源區內。
雙異質結構雷射器的問世標誌著半導體雷射器的發展進入了新時期。1978 年，半導體雷射器成功地應用於光纖通訊系統中。隨著新材料、新結構的不斷湧現，半導體雷射器的電學和光學性能有了很大的提高。進入 20 世紀 80 年代以後，由於引入了半導體物理研究的新成果———能帶工程理論，同時晶體外延材料生長新工藝如分子束 外 延 ( MBE ) 、金屬有機化學氣相沉積( MOCVD) 和化學束外延( CBE)等取得重大成就，使得半導體雷射器成功地採用了量子阱和應變量子阱結構，製備出了許多性能優良的雷射器件，如各類量子阱雷射器、應變量子阱雷射器、垂直腔面發射雷射器和高功率半導體雷射器陣列等，實現了高功率輸出。
量子阱雷射器窄帶隙有源區材料的厚度通常小於電子在該材料的德布羅意波長( 一般小於10 ～ 20 nm) ，這樣能使注入的電子被勢阱有效地吸收。在量子阱中電子和空穴沿著垂直阱壁方向的運動呈現量子化的特點，電子的態密度也變為階梯狀，這時只需要很小的注入電流就可以實現粒子數反轉，因此量子阱雷射器具有很小的閾值電流、很高的微分量子效率和高輸出功率。
1977 年，日本東京工業大學的伊賀健一( Kenichi Iga) 提出垂直腔面發射雷射器( Vertical- cavity surface-emitting laser，VCSEL) 的概念，其工作原理如圖 1 所示。這種雷射器由於光學諧振腔與半導體晶片的襯底垂直，因此能夠實現晶片表面的雷射發射，有著低閾值電流、穩定單波長工作、可高頻調製、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優點。隨著材料生長工藝的成熟和器件結構的優化，VCSEL器件在低閾值電流及室溫工作等方面取得了一系列進展，並於1988年實現了室溫連續激射。目前，VCSEL已經在光通信、光互連、雷射引信、雷射顯示、光信號處理以及晶片級原子鐘等領域獲得了廣泛的應用。
隨著理論研究和製備工藝的發展，尤其是在美國SHEDS、ADHEL和德國BIOLAS等項目的支持下，半導體雷射器晶片結構、外延生長和器件封裝等技術均有了很大的發展。半導體雷射器以其轉換效率高、壽命長、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調製及易與其他半導體器件集成等特點，在軍事、工業加工、雷射醫療、光通信、光存儲和雷射列印等信息領域中有著非常廣泛的應用。
3 大功率半導體雷射器的研究現狀
現在國際上半導體雷射器研究的重大技術問題是: 如何同時獲得高功率、高可靠性和高能量轉換效率，同時提高光束質量並擁有良好的光譜特性。隨著材料生長技術和器件製備工藝的發展和進步，新的有源材料不斷湧現，更好的器件結構和工藝日趨成熟，半導體雷射器的功率、可靠性和能量轉換效率都得到了迅速提高; 以往相比於其他雷射器的劣勢，如光束質量差、光譜線寬過大等問題也得到了相當程度的改善，半導體雷射器的性能得到不斷的提升，在很多領域正在逐漸取代其他雷射光源，並且其應用前景也越來越廣泛。
3.1 半導體雷射器的輸出功率
商用大功率半導體雷射器主要工作在近紅外波段，其波長範圍在800 ～ 1100 nm 之間。目前，提高半導體雷射器的輸出功率主要有兩種方式:一種是提高半導體雷射器晶片上單管雷射的輸出功率，另一種是增加半導體雷射器的發光點個數。
提高單管雷射的輸出功率，需要改進雷射器的晶片結構，提升材料生長、晶片製備、腔面鍍膜及封裝散熱等關鍵技術。增加雷射器發光點的個數則主要表現為雷射器線陣( 多個雷射單元在外延層方向同晶片集成，也叫做雷射器 bar 條) 、迭陣、單管模組、面陣等雷射合束技術。傳統雷射合束(Traditional beam combining，TBC) 技術基於半導體雷射器的光斑、偏振和光譜特性，單純從外部光學系統考慮，利用空間合束、偏振合束和波長合束對單管、線陣和迭陣進行能量合束和光束整形。外腔光譜合束( External cavity feedback wavelength beam combining，ECFWBC) 技術利用光柵進行外部光學反饋實現光譜合束，可以在提高功率的基礎上保證良好的光束質量。
3.1.1 單管輸出功率及單管合束光源
近幾年來，半導體雷射器近紅外波段的輸出功率得到了顯著提高，目前單管雷射器的連續輸出功率已超過 10 W，最高可達到 25 W，如表 1所示。
半導體雷射器單管合束是由雷射單管組成的最小光學模組，可以直接合束實現光纖輸出。雷射器單管合束的優點是: 壽命長、可靠性高，慢軸光束質量比較好，可耦合進芯徑≤100μm的光纖; 由於熱源分散且發熱量小，可以採用傳導冷卻或風冷，因而光源模組整體體積小，重量輕; 無需高電流驅動，可以採用並聯方式，對電源要求也比較低。但是，相對於線陣和迭陣，雷射單管經過合束後輸出的功率一般為數百瓦，因此一般用在功率需求為幾十瓦至數百瓦、或者對體積和可靠性要求非常高的場合，如光纖雷射器泵浦、雷射醫療等。
近年來，單管耦合光源的應用範圍越發廣泛，發展迅速。美國Fraunhofer USA 採用 120個單管耦合進 200 μm 光纖，功率輸出 ＞ 700 W。美國 nLight 採用 72 個 940 nm 波長的單管，排列成 4 個單元，實現光纖輸出 700 W 連續功率 。
3.1.2 雷射器線陣輸出功率與線陣合束光源
隨著技術發展和單管輸出功率的提高，半導體雷射bar條的輸出功率也顯著增加。釐米 bar條的輸出功率從 2000 年時的 240 W 已經提高至1 000 W 左右，增大到原來的 4 倍，增長非常迅速，如表 2 所示。
半導體雷射器線陣合束，指的是若干傳導冷卻或大通道熱沉封裝的雷射器線陣，通過光學元件實現分立空間位置上的雷射能量疊加。這種雷射器線陣合束技術的優點是線陣光路獨立，裝調簡便精度高，不存在公差積累問題; 熱源分散，可以採用傳導冷卻或大通道水冷，散熱要求低; 線陣之間的電連接與冷卻液隔絕，因而可以採用普通純淨水作為冷卻液; 被準直的線陣光束不受熱沉厚度影響，合束光斑無暗區疊加。但是，由於半導體雷射器線陣排布比較分散，所以相同功率的線陣合束光源體積明顯大於迭陣合束光源。考慮到總體積和光路複雜性，參與合束的雷射器線陣一般不超過 50 個，因此該技術適用於輸出功率為數百瓦級至 3 000 W 級的應用場合。
近年來，半導體雷射器線陣合束的研究也有了很快的發展。德國 Limo 採用 38 個傳導熱沉封裝雷射器線陣，形成 8 個線陣合束單元，實現了 200 μm 芯徑、0． 22 數值孔徑的光纖的 1 200 W功率輸出。德國 Dilas 採用 28 個雷射器線陣，實現了 200 μm 芯徑、0.22 數值孔徑的光纖的 775 W 功率單波長雷射輸出，然後通過波長合束，實現了 500 μm 芯徑、0.12 數值孔徑的光纖的 3 835 W 連續功率輸出。德國 Trumf 採用低填充因子的雷射器線陣，製成 100 μm 芯徑、0.12 數值孔徑的光纖的 100 W 線陣合束模塊，然後以 19 個模塊經過光纖捆綁方式實現空間合束，再通過波長合束方式實現 600 μm 芯徑、0.12 數值孔徑的光纖的 3 000 W 連續功率輸出。
3.1.3 雷射器迭陣合束光源
半導體雷射器迭陣是通過若干微通道熱沉封裝的bar條在快軸方向直接堆疊而成，雷射器迭陣合束技術是高功率半導體雷射光源最常採用的合束方式。
在可以保證單層雷射器bar條連續輸出數百瓦雷射功率的情況下，受限於熱沉內微通道的水壓降，雷射器迭陣中雷射器 bar 條數一般不能超過 50 層。這樣，單個雷射器迭陣能夠實現連續工作數千瓦的雷射輸出。通過增加雷射器迭陣數量進行雷射合束，能夠實現上萬瓦甚至數十萬瓦的半導體雷射輸出。雷射器迭陣光源具有結構緊湊、體積小( 包括微通道熱沉在內，單個雷射器bar條體積為 0.6 cm3 左右，50 層 bar 條不超過 30 cm3 ) 的優點，是目前半導體雷射光源實現高功率輸出的主要封裝方式。
雷射器迭陣通過熱沉與雷射晶片之間的串聯加電，另外，微通道熱沉中水道截面直徑在微米量級，容易發生堵塞，這就要求雷射器迭陣的冷卻液必須採用高度絕緣性的純淨去離子水，並定期維護更換，因而對冷卻液和熱沉的要求非常高。
綜合考慮輸出功率和可靠性等方面，在要求連續輸出 3 000 W 甚至更高功率的應用場合，應該使用基於雷射器迭陣的半導體雷射合束技術。
德國Laserline公司基於雷射器迭陣，結合平行平板堆整形方法和雷射合束技術，已研製出了多種半導體雷射直接加工機，代表參數如表 3 所示。15 kW 功率的光束質量為 100 mm·mrad，2 kW 功率的光束質量為20 mm·mrad，後者超過了相同功率下燈泵 Nd∶ YAG 雷射的光束質量。該公司半導體雷射光源保質期長達 5 年( 43 800 h) ，是燈泵 Nd∶ YAG 雷射( ＜ 2 000 h) 的數十倍，這使得它在材料加工市場非常具有競爭力。目前該公司產品已直接應用在熔覆、表面強化、金屬焊接和深熔焊等材料加工領域。
3.2 半導體雷射器的轉換效率
半導體雷射器的功率轉換效率是半導體雷射器非常重要的指標之一。高轉換效率的半導體雷射器產生的廢熱少、能量利用率高，可以大大延長器件的工作壽命，提升可靠性; 同時也意味著可以採用更小、更輕、更經濟的冷卻系統，使得半導體雷射系統的移動平臺具有無可比擬的優點。
隨著技術的發展和各國科研項目的支持( 美國國防先進技術研究計劃署( DAＲPA) 專門設立了提高半導體雷射器的電光轉換效率到 80% 為目標的超高效率雷射器光源( SHEDS) 項目) ，高功率半導體雷射器光源的效率已經達到很高的水平。紅外波段可達到 70% 以上。目前國際上關於高功率半導體雷射器件的轉換效率與波長對應關係如表 4 所示。
3.3 半導體雷射器的可靠性
半導體雷射器的可靠性在應用中是一個重要的技術指標。在通信、光存儲等領域，小功率半導體的可靠性已基本解決，工作壽命可以達到實用要求。高功率半導體雷射器在大電流工作連續輸出時面臨著端面災變性損傷、燒孔、電熱燒毀、光絲效應，以及微通道熱沉的壽命等基本問題。解決這些問題一般通過以下方法: 提高晶體生長質量;改進位備工藝和封裝技術;增大光斑尺寸;優化傳熱結構和散熱方法等。
近年來，由於半導體雷射器轉換效率的提升和封裝散熱工程的改進，半導體雷射器單管報導的最長壽命很多已達到十萬小時以上，線陣的可靠性也有了非常明顯的提高。單管和 bar 條的研究進展如表 5 和表 6所示。
3. 4 半導體雷射器的光束質量
在雷射醫療、顯示、自由空間光通信、泵浦光纖雷射器、直接材料加工等應用領域，需要雷射光源同時滿足高輸出功率和高光束質量。傳統的寬條結構的半導體雷射器雖然具有高功率、高效率的優點，但其易於產生光絲效應和複雜多瓣的近場圖案，光束質量不高。
為了改善半導體雷射器單管的光束質量，通常可以通過改變晶片結構和加工工藝，使得出射雷射在側向和橫向受到一定的限制，從而保持出光模式 單 一 穩 定; 而採用外腔反饋光譜合束( Wavelength beam combining，WBC) 技術，則可以改善半導體雷射器合束光源的光束質量。
3.4.1 半導體雷射器單管的側向模式限制
改善半導體雷射器單管的側向模式，最簡單的方法是採用脊形波導(Ｒidge waveguide，ＲW)，在雷射器側向引入選模設計，改善光束質量並提高亮度。但是脊形波導對側向模式限制比較弱，在大電流高功率工作時，高階模容易激射。
在提高側向光束質量方面，當前的代表性器件是種子振蕩功率放大器( Master oscillator popwer amplifier，MOPA) 結構的錐形雷射器，如圖 2 所 示。MOPA 結構是指將具有較小功率和極高光束質量的單模種子振蕩源 ( Master oscillator， MO) 雷射注入到半導體放大器( Power amplifier， PA) 中進行放大，當採用整個晶片作為諧振腔單片集成時就是所說的錐形雷射器。其優點是只需一次外延生長，易於製造而且結構緊湊，還可以集成光柵等結構用於進行光譜線寬的調製。
錐形雷射器誕生已將近 20 年，其性提升非常快。德國 FBH 研究所先後報導了多種波長的錐形雷射器。其中，808 nm 波長器件的近衍射極限連續輸出功率可達 4.4 W，光束質量為 1.9 mm·mrad，在 3.9 W 功率下光束質量為 1.3 mm· mrad，亮度為 460 MW·cm^ － 2·sr^ － 1; 在脈衝條件下工作輸出功率可達 27 W，近衍射極限輸出功率可達 9 W。979 nm 波長的 DBＲ 錐形雷射器連續輸出功率達到了 12 W，轉換效率約為 44% ， 在 11. 4 W 時光束質量為 1.1 mm·mrad，亮度可達 1 100 MW·cm ^－ 2 ·sr ^－ 1。1 060 nm波長的DBＲ 錐形雷射器的輸出功率達到了 12.2 W，10 W時光束質量僅為 1. 2 mm·mrad，線寬只有 17 pm ( FWHM) ，亮度達到了800 MW·cm ^－2·sr ^－1。
其他用於雷射器單管的側向模式限制的方法還有傾斜光柵分布反饋雷射器以及平板耦合波導半導體雷射器等。
3.4.2 半導體雷射器單管的橫向模式限制
2002 年，Ledentsov等提出了一種基於縱向光子帶晶體波導的新型雷射器結構，它在雷射器垂直方向採用周期性生長的半導體層構成有帶隙的光子晶體進行光限制。隨著這一技術的提出，傳統晶片光束質量差的問題得到了很大的改善。半導體雷射器可以從晶片上實現大模式光斑尺寸、低腔面損傷閾值、單橫模、低發散角、近圓形光斑工作，因而更容易獲得高光束質量和高亮度雷射。近幾年來，這種基於光子帶晶體波導的新型雷射器得到了快速的發展，性能指標如表 7 所示。
3. 4. 3 半導體雷射器外腔反饋光譜合束技術
由TBC原理，通過空間合束增加雷射功率，會導致雷射系統整體的光束質量降低。偏振合束和波長合束技術只能在維持光束質量不變的情況下，以一定的倍數提高雷射功率。TBC 光源的光束質量一般遠大於雷射單元的光束質量。
ECFWBC 技術結合半導體雷射內部振蕩與外部光學系統反饋，實現每個雷射單元的諧振波長均與外部光柵色散和外腔反饋匹配，使得所有雷射單元沿相同方向諧振，以保持近場和遠場相重合的方式輸出。合束雷射的光束質量與單個雷射單元一致，雷射功率為所有雷射單元總和，其原理如圖 3 所示。因此只要雷射單元具有高光束質量，半導體雷射合束光源也可實現近衍射極限的高功率雷射輸出。這種 ECFWBC 技術有著衍射效率高、損傷閾值高、耦合單元多、更容易輸出高功率等優點。
美國麻省理工( MIT) 、美國 Teradiode、美國Coherent、美國 Aculight、法國 Thales 和丹麥科技大學(DTU) 在 ECFWBC 技術的研究上取得了重要進展，如表 8 所示。美國 Teradiode 公司已達到商品化水平，2012 年，其 2 030 W 半導體雷射合束光源產品已達到相同功率條件下商用全固態雷射水平。
3. 4.4 高功率半導體雷射合束光源的光束質量
圖 4 為近年來高功率半導體雷射器合束光源的光束質量發展進程。從 1998 年至 2007 年，相同功率雷射的光束質量提高近 10 倍。從 2007 年 到 2012 年，基於傳統雷射合束的光源光束質量在千瓦至萬瓦量級提高 3 倍左右，接近並部分達到燈泵 Nd∶ YAG 雷射器水平。光譜合束技術大大提高了合束光源的光束質量，在百瓦至千瓦量級提高 10 倍左右，其中 940 W 光束質量為 3.5 mm· mrad，2 030 W 光束質量為 3.75 mm·mrad，達到CO2 雷射器的光束質量水平; 360 W 光束質量為0.6 mm·mrad( 2 倍衍射極限) ，超過 CO2 雷射器的光束質量，接近全固態雷射器的光束質量水平。現在半導體雷射器合束光源可以勝任包括金屬切割、深熔焊等對功率和光束質量要求嚴格的應用領域，其中基於傳統合束的半導體雷射合束光源可以用於雷射熔覆、深熔焊等，基於光譜合束的半導體雷射合束光源達到金屬切割的加工要求。
3.5 半導體雷射器的窄光譜線寬窄線寬
半導體雷射器在雷射通信、光互聯、非線性頻率轉換等領域有著重要的應用。一般通過在半導體雷射器上製備布拉格光柵進行選頻，光柵可以放在半導體雷射器一端的腔面處作為波長反射器( 分布布拉格反射，DBＲ) 選擇激射波長，或者分布在沿整個半導體雷射器諧振腔( 分布反饋，DFB) ，也可以採用外部光柵( 例如體布拉格光柵——VBG，或體全息光柵——VHG) 。
3.5.1 分布布拉格反射雷射器
DBＲ 雷射器採用布拉格光柵代替雷射器的一個解理腔面，不需要二次外延技術。2010 年，德國 FBH 研究所採用表面布拉格光柵獲得了高功率 DBＲ 雷射器，90 μm 條寬單管輸出功率達到14 W，最大轉換效率為 50% ，波長偏移為 0.074 nm /K。同年，該單位又報導了一種窄線寬脊形波導 DBＲ 雷射器，採用六階表面光柵，激射波長為 974 nm，單模輸出功率超過 1 W，3 dB 光譜線寬僅為 1. 4 MHz。2011 年，該單位報導了窄線寬 1 064 nm 波長 DBＲ 激 光 器，半 高 全 寬( FWHM) 為 180 kHz，在 180 mW 功率下本徵線寬僅為 2 kHz，波長偏移為 0.083 nm /K。
3. 5.2 分布反饋雷射器DFB 雷射器
最早由貝爾實驗室的 H． Kogelikn等於 1972 年提出並在 1975 年實現室溫連續工作，之後在光通信領域得到了重視並迅速發展，其研究進展如表9所示。DFB 雷射器的特點是光柵分布在整個諧振腔中，光波在反饋的同時獲得增益和激射，依靠光柵的選頻原理來實現波長選擇。它的製作方法有兩種: 一種是在生長完一部分 p 型波導層時中斷，外延一層低折射率光柵層，然後將晶片移出生長反應室，採用光刻和刻蝕形成統一的光柵，然後重新外延生長反應室，在光柵上繼續生長，最終形成 DFB 雷射器，這種方法需要二次外延生長，對工藝要求比較高; 另一種方法是外延生長全部結束後，通過刻蝕形成表面光柵，不需要二次外延技術。
3.5.3 外腔光柵雷射器
外腔光柵雷射器是通過外部光柵元件的反饋和雷射器腔體的諧振實現穩定波長的目的。通常外腔雷射器由於採用了比較長的腔長和針對特定縱模有選擇性反射的外腔光柵，可以窄化雷射器線寬並且工作在單頻率狀態。其研究進展如表10 所示。
3.6 VCSEL 半導體雷射器
由於 VCSEL 有著低閾值電流、穩定單波長工作、可高頻調製、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優點，因而在半導體雷射器中佔有很重要的地位。VCSEL 器件基於 GaAs 襯底可以做到高質量的材料生長，從而獲得很高的材料增益，還可以在單片上通過外延生長晶格匹配、高折射率差、較低電阻的 AlAs 和 GaAs 材料來構成 DBＲ。從器件性能和實用化程度來看，850 nm 波段和 980 nm波段的器件始終代表著 VCSEL 半導體雷射器研究的最高水平。
3.6.1 850 nm 波段 VCSEL
850 nm 是石英系光纖的第一個低損窗口，高速調製的 850 nm VCSEL 可以用於中短距離的區域網、自由空間光通信和光互連。隨著資訊時代的巨大應用需求，VCSEL 的低功耗和高速調製等性能在 20 世紀 90 年代末和 21 世紀初得到迅速提高。
1998 年，ULM 大學製作了電光轉換效率達到57% 的 VCSEL 器件，該指標一直保持了近 10 年的最高轉換效率記錄。2004 年，ULM 大學採用表面浮雕結構的器件單模達到了 6 mW，單模抑制比達到了 40 dB; 2009 年，數據傳輸速率達到了 32 Gbit /s。在這些進展的推進下， 850 nm 的 VCSEL 器件最早進行商業化生產。
隨後，850 nm 的 VCSEL 器件在短距離光纖通信方面開始取代邊發射雷射器。2002 年 1 月， Ulm Photonics 公司採用 flip-chip 方法製備的 VC- SEL 列陣和分立器件速率已達 10 Gbit /s，並已大批量生產; 同期，日本 FujiXerox 開 始 批量生產VCSEL。
2003 年，Petar Pepeljugoski 等進行了多模光纖15.6 Gb /s、1 km 和 20 Gb /s、200m的傳輸試驗，結果顯示其指標符合粗波分復用(CWDM) 2 × 20 Gbit/s 乙太網標準。2010 年，瑞士的 Westbergh 等進行了直接調製的多模高速器件的無錯碼大容量通信，擁有高達 40 Gbit /s 的傳輸速率。目前，850nm 的 VCSEL 可以實現最長1000 m、25 GHz 的高速通訊，通信能耗低至 69 fJ/bit。在市場上，美國的 Coherent、Honeywell、EMCOＲE 和 AXT 等公司以及韓國和日本的一些光通信設備製造商都有商品化的 VCSEL 器件和晶片。
3.6. 2 980 nm 波段 VCSEL
由於受到光纖雷射和固體雷射器泵浦、雷射照明、倍頻等應用方向的牽引，980 nm 波段的 VCSEL 在過去的 10 年發展非常迅速。最近幾年的研製主要集中於提高面發射半導體雷射器的功率和效率、實現高功率密度和高光束質量方面。
2001 年，德國 Ulm 大學報導了單管連續輸出890 mW 的器件，並且使用 19 個單管並聯集成了連續輸出1.4W的二維面陣。2004 年，Ulm Photonics 公司實現了連續輸出 6W 的集成單元面陣，共有 224 個 VCSEL，斜率效率為 0. 6 W/A，轉換效率為 22% 。
美國 Princeton Optronics 公司是專門從事高功率近紅外 VCSEL 的企業。該公司於 2005 年實現了 3 W 連續輸出的 980 nm 器件。2007 年，該公司推出了面積為 0. 22 cm2、連續輸出功率超過 230 W 的面陣，轉換效率為 50% ，溫度漂移係數小於 0.07 nm /℃。2010 年，該公司推出了用於近紅外主動雷射照明的百瓦級高功率列陣，實現了 500 m 的無散斑成像。2012 年，該公司又推出了用於固態雷射泵浦的 980 nm 高功率 VC- SEL 面陣和面陣組合模塊產品，面陣組合模塊連續輸出超過 l 4 kW。
4 長春光學精密機械與物理研究所在大功率半導體雷射器方面的研究進展
經過研究人員的辛勤努力，長春光學精密機械與物理研究所( 簡稱長春光機所) 在過去幾十年中在大功率半導體雷射器方面取得了令人矚目的成就。
4.1 新材料量子阱雷射器
1996 年，長春光機所在國際上率先研製出808 nm 連續輸出功率 3. 6 W、肖特基勢壘電流限制的 InGaAsP /InGaP /GaAs 無鋁量子阱新材料高功率雷射器，工作壽命超過 10 000 h。808 nm 雷射器線陣連續輸出功率最高達 150 W，準連續輸出超過 150 W，器件壽命超過 10 000 h。
2000 年，長春光機所在國際上首次研製出InGaAsP /InGaP /GaAs 無鋁量子阱 808 nm 雷射列陣及雷射光纖耦合模塊。與 GaAlAs/GaAs 半導體雷射器相比，該雷射器具有壽命長、可靠性高等優點。2004 年，該雷射器基本滿足了大功率器件的要求，達到連續光功率輸出 60 W/bar，脈衝輸出 100 W/bar，發射波長偏差控制在 3 nm。
4.2 大功率雷射器合束光源
單純從外部光學系統考慮，雷射合束分為空間合束、偏振合束和波長合束。結合幾何光學整形方式，我們研製出基於單管、線陣、迭陣3種傳統雷射器件的合束光源。
4.2.1 基於 TBC 技術的單管合束雷射光源
雷射單管是半導體雷射器的最小組成單元，光束質量好、亮度高。單管合束光源無需光束整形，通過空間階梯排列、快慢軸準直後，由各自的空間合束鏡轉折光路直接進行合束，然後通過擴束聚焦耦合進光纖，具有易散熱、體積小、重量輕、可靠性高和成本低等優點，是光纖泵浦、雷射顯示和雷射醫療等領域的有效光源。由於每個雷射單管輸出功率一般不超過 10 W，且需配備獨立的快慢軸準直鏡、空間合束鏡，因此該光源輸出功率不宜過高，一般不超過 300 W。若功率進一步增加，則涉及的元件非常多，裝調變得非常複雜，失去成本和體積等優勢。
基於單管合束技術，我們採用多隻高亮度雷射單管，結合其熱分散布局，研製出風冷結構的多種合束光源: 105 μm/0. 2NA 光纖連續輸出 30 ～ 70 W; 200 μm/0. 2NA 光纖連續輸出功率 80 ～120 W。
4. 2.2 基於 TBC 技術的線陣合束雷射光源
雷射線陣合束是採用若干傳導冷卻熱沉封裝的雷射線陣，在物理位置上分離，通過空間合束鏡實現光疊加，然後再進行偏振波長合束，可實現數百瓦至 3 kW 範圍的功率輸出。該結構可以通過整體的工業用水進行傳導冷卻，具有可靠性高、便於維護等優點。由於傳導熱沉的散熱限制，單個線陣輸出功率不宜過高，一般為40 ～ 80 W。常規的釐米線陣由於光束質量差，需要額外的光束整形結構，光學系統複雜，因此線陣合束常採用條寬變小的迷你線陣或低填充因子的釐米線陣。
基於線陣合束光源，我 們 研 制 出 200 μm / 0.2NA光纖連續 400 W 功率輸出的雷射器，可用於薄不鏽鋼板的切割; 研製出 200 μm /0.2NA 光纖連續 3 000 W 功率輸出的雷射器，用於金屬板焊接。設備照片如圖 5 所示。
4. 2.3 基於 TBC 技術的迭陣合束雷射光源
雷射迭陣是採用微通道熱沉封裝去離子水冷卻的半導體雷射線陣在快軸方向物理位置堆疊而成。由於其優異的散熱特性，單層迭陣可工作在100 ～ 300 W，具有易實現高功率輸出和結構緊湊等優點，是目前半導體雷射器實現數千瓦甚至上萬瓦雷射功率輸出最主要的合束形式。雷射迭陣通常採用釐米線陣，因此需要進行光束整形後再雷射合束。我們採用多組雷射迭陣，研製出 6 kW球閥表面強化光源及萬瓦級雷射熔覆光源，如圖6 所示。
常規 TBC 技術受限於合束機理，合束後的雷射光束質量均差於雷射單元光束質量。為了進一步提高光束質量，從半導體雷射器和外部光學系統結合考慮，WBC 被證明是解決該難題的有效途徑之一。它採用前腔面鍍增透膜的半導體雷射晶片與外部光學系統整體構成諧振腔，通過外部光柵調節，雷射晶片上所有雷射單元沿相同方向諧振，並在近場和遠場完全重合，實現整體光束質量僅為單元光束質量的雷射輸出，相同高功率下的光束質量較常規方法提高數十倍。
我們利用基於透射光柵的外腔 WBC 技術，先後研製出 808 nm、970 nm 的幾十瓦至數百瓦的光譜合束光源，光束質量僅為 3 ～ 5 mm·mrad，接近雷射單元的光束質量。圖 7 為光譜合束的實驗裝置。
4.3 VCSEL 單管及面陣
長春光機所打破傳統觀念束縛，提出了多增益區、調製摻雜 DBＲ、大出光孔徑等新思想，理論上預期了瓦級以上大功率 VCSEL 的可能性，並在國內最早開展了高功率 980 nm VCSEL 的研究工作，取得了一系列突破性的成果。2003 年，我們採用 3 個應變補償的 InGaAs/GaAsP 量子阱為有源區得到高性能的 987 nm VCSEL: 口 徑 為430 μm 的器件在室溫下的連續輸出超過 1.5 W，激射峰半高寬僅為 0.8 nm，瓦級輸出器件遠場發散角低於 10°，特徵溫度超過 220 K。隨後通過優化器件結構和工藝，2004 年在國際上將 980 nm VCSEL 的輸出功率刷新到 1.95 W，脈衝輸出為10. 5 W，是當時國內外報導中的最高水平。2009 年，我們研製出連續輸出超過 2.5 W 的單管( 效率 20% ) 和脈衝輸出達到千瓦的高密度集成列陣。
2010 年，我們在國際上首次提出並實現了大功率 VCSEL 集成面陣與其微透鏡面陣的單片集成，6 × 6 VCSEL 集成微透鏡陣列實現了 1.0 W基模雷射輸出，發散角由 14. 8°降到 6. 6°，光束質量獲得成倍改善，為發展高光束質量大規模集成列陣雷射開闢了新方向。圖 8 為集成微透鏡陣列照片。
2010 年，我們研製出 5 × 5、10 × 10、20 × 20的脈衝輸出 138，319，510 W( 60 ns × 100 Hz) 的 VCSEL 面陣。2011 年，我們發明了兩種偏振控制的 VCSEL 雷射結構和雷射器製備方法，研製出30 × 30 最高集成度( 64 個/mm^2 ) 的大功率 VC- SEL 面陣( 圖 9) ，在 3.75 nm × 3.75 mm 的面積共集成 900 個器件，單管器件連續輸出功率為 2.9 W，為發展兆瓦乃至更大功率雷射光源開闢了新途徑。
2011 年，我們研製的 VCSEL 在 110 A、60 ns電流驅動下，峰值功率高達 92 W，為當年國際報導的最好水平，創造了當年單管雷射器的世界紀錄。
2013 年，我們提出並設計了 AlGaAs/In- GaAlAs 寬勢壘結構，實現了 795 nm 和 894 nm 高溫工作( 75 ℃ ) VCSEL，適用於低功耗晶片尺寸整合微型原子鐘、原子陀螺儀等傳感器，同時實現授時、定位、導航等功能。晶片體積僅為0.05 mm3，器件高穩定單模態雷射輸出高於 0.2 mW，工作電流低於 1. 5 mA，功耗低於 3 mW。
2014 年，我們針對大功率 VCSEL 面陣低電壓( 4 V，大電流 50 ～ 500 A) 驅動問題，發明了一種面陣混合封裝結構及其製備方法，如圖 10 所 示。利用 4 個高功率 VCSEL 單管串接，形成 980 nm 波段高功率準列陣模塊，尺寸為 2.2 mm × 2. mm，輸出功率高達 210 W。該突破使得微小型高功率 VCSEL 模塊有望在雷射引信、雷射測距及雷射面陣雷達系統中實現實用化。
4.4 新型雷射器晶片
4. 4.1 高亮度布拉格反射波導光子晶體雷射器
我們開展了 808 nm 波長布拉格反射波導光子晶體雷射器( 圖 11) 的研究。利用光子晶體調控光學模式，實現了近圓形光束出光，成功地將傳統半導體雷射快軸( 垂直) 發散角從 40°壓縮到10°以下( 半高全寬) ，實現了穩定的圓形光斑雷射輸出，其中優化的三量子阱雷射器含 95% 功率的垂直發散角可低至 9.8°，為當前報導的最低值，如圖 12 所示。由於這種雷射器垂直方向的模式尺寸增大，因此可有效抑制災變光損傷。在腔面未鈍化條件下，寬條雷射器單管連續和脈衝輸出功率分別可超過 3.5 W 和 11 W，bar 條脈衝輸出功率 ＞ 70 W，10 μm 條寬脊形器件壓測條件下的單模準連續功率也超過了 1.1 W。
4. 4.2 布拉格反射波導雙光束雷射器
雙光束雷射器在高速雷射掃描、高精度雷射檢測、原位深度監控及離軸外腔雷射等領域具有重要的應用。傳統的方法是將一束雷射分成兩束或將兩束雷射合在一起，但這種方式需要精確的光學對準，結構不緊湊，難以批量生產。
在半導體雷射器的垂直方向引入布拉格反射波導結構，利用布拉格反射波導調控雷射器工作在完全光子帶隙導引模式，可從晶片層次實現穩定的對稱雙光束雷射輸出，該方法結構簡單、價格低廉，易於批量生產。我們在國際上首次研製出布拉格反射波導雙光束雷射器( 圖 13) ，雷射器輸出兩束對稱的、近圓形的雷射，單光束雷射垂直發散角和水平發散角分別低至7.2°和5.4°。另外，這種雷射器還具有明顯的光譜調製效應。
5 大功率半導體雷射器的發展趨勢
為滿足各行各業對半導體雷射器的需求，大功率半導體雷射器必須具有更高的功率、轉換效率、可靠性、光束質量和更好的光譜特性，需要從以下幾個方面入手: ( 1) 發展新結構和工藝，提高半導體雷射器單管的各項指標; ( 2) 發展新材料、新結構的半導體雷射器，實現從紫外到遠紅外各波段的雷射輸出: ( 3) 發展新的雷射合束技術，提高半導體雷射器的輸出功率; ( 4) 拓展半導體雷射器的應用領域，如3D列印、超短脈衝加工、納米光學等新興領域，促進半導體雷射器應用技術的發展。
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