国内外半导体激光器产业发展现状趋势解读 |
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| 本文针对半导体激光器光谱纯度差、光束质量差、大功率工作困难、难于实现腔内调控等缺点，以光泵浦垂直外腔面发射激光器、微纳激光器和拓扑绝缘体激光器的研究发展路线为载体，简要回顾新体制激光器的发展历程，并通过研究总结相关器件的技术发展路线，总结了在多学科交叉的技术背景下，实现新物理、新概念以及新技术融合的方法，为我国半导体激光器产业的发展提出相关建议，以供参考。
几种新体制半导体激光器简介
新物理、新概念以及新技术与半导体激光器的融合，为其发展注入了新鲜的血液，通过与光学、电磁学、微电子学、拓扑学以及量子力学的交叉渗透，催生出了许多新体制激光器，它们或者有大规模的集成应用前景，或者有优秀的光束和光谱质量，或者有更高更稳定的输出功率，或者有更小的体积和突破衍射极限的光斑，或者便于调制和倍频，或者具有让人兴奋的微小功耗。这些新体制激光器的发展，代表了半导体激光器技术的先进水平，同时也反映着物理理论、工程技术以及制备工艺的发展现状，值得进行深入的研究。其中，光泵浦垂直外腔面发射激光器、微纳激光器和拓扑绝缘体激光器（见图1）分别代表了激光学科内部的交叉应用、激光器与光学的交叉应用以及激光器与新兴物理领域交叉应用所催生出的新型半导体激光器，具有丰富的物理内涵和应用价值，本文将进行较详细的讨论。
1、光泵浦垂直腔面发射激光器 光泵浦垂直外腔面发射激光器（OP-VECSEL），又称光泵浦半导体激光器（OPSLs），或半导体碟片激光器（SDL），是半导体激光与固体激光结合的产物。它的增益芯片采用半导体材料，与垂直腔面发射激光器（VCSEL）非常相似；谐振腔结构则采用固体激光器构型，通常由半导体芯片上的分布布拉格反射镜（DBR）和外腔镜共同构成；泵浦方式通常使用光泵浦，可以提供更灵活的工作方式和更优良的器件性能。VECSEL 使用半导体芯片作为增益物质，可以提供多种波长选择和宽谱的调谐范围。基于固体激光器的光学腔使其可以方便进行腔内光学元件插入，易于进行脉冲压缩、和频、差频及光束整形，可以产生如超短脉冲激光、特殊波长激光、太赫兹激光、多色激光等，满足多种特殊应用需求。 由于 OP-VECSEL 的上述特点，目前该领域的主要研究内容集中在提高输出功率、波长可调谐性，激光超短脉冲或超强脉冲产生以及特殊波长或多波长设计等方面。就波长覆盖范围来讲，VECSEL 激光器目前已经实现了紫外波段到可见光波段再到红外波段甚至太赫兹波段的全波段覆盖。表 1 给出了不同波段 VECSEL 激光器的一些典型参数。通过腔内倍频 VECSEL 实现的最短激射波长可以达到244 nm [1]，使用双波长腔内差频实现的最长波长也可以达到 1.9 THz [2]。目前，VECSEL 激光器的最高单片输出功率纪录为 106 W [3]，最高重复频率为 175 GHz [4]，最小脉冲宽度为 60 fs [5]。
VECSEL 非常适合需要高性能光源的定制化应用，正处于面向应用的关键技术研发阶段，如特殊环境通信或特殊波长传感等。大量固体激光和半导体激光领域的现有技术被用来改善激光器的输出特性。谐振腔设计、光谱控制、腔内倍频、锁模、多程泵浦、碟片等固体激光技术，以及芯片制备和热管理等半导体相关工艺技术都为 VECSEL 的发展提供了有力的基础支撑。
垂直外腔激光器（见图2）的高性能和灵活性特点使其非常适合定制化应用，其发展应该紧密结合应用，以平台建设为主，兼顾多波长、多输出特点的实用技术开发。一方面需要针对 VECSEL 本身的平台化技术进行创新研发；另一方面，迫切需要进行面向具体应用的特定技术开发和扩展，如开发适用于特殊波长、高光束质量、窄线宽、宽调谐范围等应用的高性能激光系统等。 2、微纳激光器 微纳激光器通常指尺寸或模式尺寸接近或小于发射光波长的激光器。其结构小巧、阈值低、功耗低，在高速调制领域具有广阔的应用前景，是未来集成光路、光存储芯片和光子计算机领域的重要组成部分，同时被广泛应用于生物芯片、激光医疗领域，并在可穿戴设备等领域内有着潜在的应用价值。
最早的结构微小化半导体激光器是垂直腔面发射激光器，将激光器的尺寸降低到了几十微米量级，并在通信、电子消费等领域获得了广泛的应用。由于尺寸的降低往往代表着阈值和功耗的降低，在过去的 50 年中，半导体激光器的体积已经减少了大约 5 个数量级。为了进一步减小体积获得更高的性能，人们尝试了各种方法来进行腔长的压缩和谐振腔的设计，如使用回音壁模式的微盘激光器、使用金属核壳结构的等离子激元激光器、基于法布里 –波罗腔的异质结二维材料激光器等。表 2 介绍了几种不同类型的微纳激光器特性比较。通过光学、表面等离子、二维材料等新兴科学技术的引入，微纳激光器目前已经实现了三维尺寸衍射极限的突破。基于表面等离子激元介电模式的 SPASER 激光器，横向尺度可以做到 260 nm 以下 [14]，并可以实现电学泵浦。基于过渡金属二卤化物（TMDC）的二维材料增益介质，可以保证在激光器体积小型化的前提下，提供比一般半导体量子阱材料高几个量级的材料增益，并可以实现三维尺寸上的突破衍射极限 [15]。此外，量子点材料的引入，也为激光器增益性能的提高提供了新的思路。 就各种微纳激光器的发展程度来讲，除 VCSEL已经成功商用以外，其余类型的激光器在实际应用方面的道路依旧曲折，但微盘激光器的小尺寸，光子晶体激光器的低阈值和高速率，纳米线激光器的灵活调控波长以及等离子激元激光器的均衡性能使其在各自的应用领域内有着广泛的发展前景。 微纳激光器在不同场合的应用，对于其性能要求有所不同，所适合的技术方案可能有很大差别。如在其最大的目标市场光通信和光信息处理领域，成品率、可靠性与寿命方面的要求使得电泵浦的基于微纳加工的解决方案更为适合；而在生物医疗领域，在生物兼容性和尺寸方面的严格要求下，光泵浦和自组织的方案会更有竞争力。 微纳激光器的发展需要强大的技术能力保证。除了微纳加工技术以外，与之匹配的材料生长技术、器件制备工艺，甚至检测封装技术均需要进行针对性的开发，避免出现某项技术的缺位与短板，从而限制整个器件的性能水平。 3、拓扑绝缘体激光器 拓扑绝缘体激光器是半导体激光技术与凝聚态物理中“拓扑绝缘体”概念的结合。利用拓扑结构中的边缘态概念，这种激光器对器件内部结构的扰动和缺陷不敏感，易于实现高输出功率、高鲁棒性、模式稳定的激光。尤其在大功率激光器以及新兴的纳米光子激光器中，这种激光器对散射损耗和随机制造缺陷不敏感的特点使其非常适用于高功率锁模激光阵列和量子信息产生及传输等领域的应用。 尽管距离首次提出基于半导体拓扑结构的拓扑绝缘体激光器概念仅有两年（2018 年首次提出 [16,17]），此类激光器优异的输出稳定性和结构缺陷不敏感性已经引起了国内外很多研究人员的关注，并逐渐成为了相关学科的研究热点。目前此类激光器大多以半导体微纳拓扑结构为结构单元，通过拓扑结构形成的光场或电子限制来实现谐振功能，进而实现激光器的定向单模激射。表 3 给出了几种不同类型的拓扑绝缘体激光器。以 2020 年北京大学实现的纳米腔拓扑激光器为例 [18]，这种激光器可以实现垂直发射的单模激光，出射方向可以通过器件拓扑结构进行调整，方向性高、体积小、阈值低、线宽窄，横向和纵向模式都有很高的边模抑制比。此外，利用拓扑对称的概念和其他新型激光器的结合，国际上已经在理论上获得了蜂窝对称的等离子 – 光子（衍射）拓扑 SPASER [19]，六边形等离激元金属纳米壳核阵列 SPASER [20] 以及太赫兹紧凑型量子级联拓扑激光器等 [21]。拓扑绝缘体激光器方面的发展仍处于物理概念提出和验证阶段。加强学科交叉，促进多学科、多领域合作，结合半导体激光器的特点，创新的理论研究和实验验证是当前的重点。
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