几种新体制半导体激光器及相关产业的现状、挑战和思考

几种新体制半导体激光器及干系产业的现状、挑唆和思索

一、弁言

半导体激光器是以半导体质料为增益介质的激光器，依托半导体能带间的跃迁发光，通常以天然解理面为谐振腔。因此其具有波长掩盖面广、体积小、布局安定、抗辐射才能强、泵浦办法多样、制品率高、可靠性好、易高速调制等上风，同时也具有输入光束质量差，光束发散角大，光斑不合错误称，遭到带间辐射的影响招致光谱纯度差、工艺制备难度高的特点。

本文针对半导体激光器光谱纯度差、光束质量差、大功率事情困难、难于完成腔内调控等缺陷，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讨提高路途为载体，扼要回忆新体制激光器的提高历程，并经过研讨总结干系器件的武艺提高路途，总结了在多学科交织的武艺背景下，完成新物理、新看法以及新武艺交融的办法，为我国半导体激光器产业的提高提出干系发起，以供参考。

二、几种新体制半导体激光器简介

新物理、新看法以及新武艺与半导体激光器的交融，为其提高注入了新颖的血液，经过与光学、电磁学、微电子学、拓扑学以及量子力学的交织浸透，催生出了很多新体制激光器，它们大概有大范围的集成使用出息，大概有精良的光束和光谱质量，大概有更高更安定的输入功率，大概有更小的体积和打破衍射极限的光斑，大概便于调制和倍频，大概具有让人兴奋的弱小功耗。这些新体制激光器的提高，代表了半导体激光器武艺的优秀水平，同时也反应着物理实际、工程武艺以及制备工艺的提高现状，值得举行深化的研讨。此中，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）分散代表了激光学科内里的交织使用、激光器与光学的交织使用以及激光器与新兴物理范畴交织使用所催生出的新型半导体激光器，具有丰厚的物理内在和使用代价，本文将举行较具体的讨论。

图1 基于半导体激光器的几种新体制激光器及其特点

（一）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团结的产物。它的增益芯片接纳半导体质料，与垂直腔面发射激光器（VCSEL）十分相似；谐振腔布局则接纳固体激光器构型，通常由半导体芯片上的分布布拉格反射镜 （DBR）和外腔镜协同构成；泵浦办法通常使用光泵浦，可以提供更机动的事情办法和更优秀的器件功能。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便利举行腔内光学元件插进，易于举行脉冲紧缩、和频、差频及光束整形，可以产生如超短脉冲激光、特别波长激光、太赫兹激光、多色激光等，满意多种特别使用需求。

由于 OP-VECSEL 的上述特点，现在该范畴的主要研讨内容会合在提高输入功率、波长可调谐性，激光超短脉冲或超强脉冲产生以及特别波长或多波长计划等方面。就波长掩盖范围来讲，VECSEL 激光器现在以前完成了紫外波段到可见光波段再到红外波段乃至太赫兹波段的全波段掩盖。表 1 给出了不同波段 VECSEL 激光器的一些典范参数。经过腔内倍频 VECSEL 完成的最短激射波长可以到达244 nm [1]，使用双波长腔内差频完成的最长波长也可以到达 1.9 THz [2]。现在，VECSEL 激光器的最高单片输入功率纪录为 106 W [3]，最高反复频率为 175 GHz [4]，最小脉冲宽度为 60 fs [5]。

表1 不同波段 VECSEL 激光典范参数

VECSEL 十分合适必要高功能光源的定制化使用，正处于面向使用的紧张武艺研发阶段，如特别情况通讯或特别波长传感等。多量固体激光和半导体激光范畴的现有武艺被用来改良激光器的输入特性。谐振腔计划、光谱控制、腔内倍频、锁模、多程泵浦、碟片等固体激光武艺，以及芯片制备和热办理等半导体干系工艺武艺都为 VECSEL 的提高提供了上心的基本支持。

垂直外腔激光器（见图 2）的高功能和机动性特点使其十分合适定制化使用，其提高应该严密团结使用，以平台建立为主，统筹多波长、多输入特点的实用武艺开发。一方面必要针对 VECSEL 本身的平台化武艺举行创新研发；另一方面，急迫必要举行面向具体使用的特定武艺开发和扩展，如开发实用于特别波长、高光束质量、窄线宽、宽调谐范围等使用的高功能激光体系等。

图2 垂直外腔面发射激光器

（二）微纳激光器

微纳激光器通常指尺寸或形式尺寸接近或小于发射光波长的激光器。其布局风雅、阈值低、功耗低，在高速调制范畴具有宽广的使用出息，是将来集成光路、光存储芯片和光子盘算机范畴的紧张构成局部，同时被广泛使用于生物芯片、激光医疗范畴，并在可穿着装备等范畴内有着潜伏的使用代价。

最早的布局弱小化半导体激光器是垂直腔面发射激光器，将激光器的尺寸低落到了几十微米量级，并在通讯、电子消耗等范畴取得了广泛的使用。由于尺寸的低落屡屡代表着阈值和功耗的低落，在已往的 50 年中，半导体激光器的体积以前变小了约莫 5 个数目级。为了进一步减小体积取得更高的功能，人们实验了种种办法来举行腔长的紧缩和谐振腔的计划，如使用覆信壁形式的微盘激光器、使用金属核壳布局的等离子激元激光器、基于法布里 –波罗腔的异质结二维质料激光器等。表 2 先容了几种不同典范的微纳激光器特性比力。经过光学、外表等离子、二维质料等新兴封建武艺的引入，微纳激光器现在以前完成了三维尺寸衍射极限的打破。基于外表等离子激元介电形式的 SPASER 激光器，横向标准可以做到 260 nm 以下 [14]，并可以完成电学泵浦。基于过渡金属二卤化物（TMDC）的二维质料增益介质，可以确保在激光器体积小型化的条件下，提供比寻常半导体量子阱质料高几个量级的质料增益，并可以完成三维尺寸上的打破衍射极限 [15]。别的，量子点质料的引入，也为激光器增益功能的提高提供了新的思绪。

表2 几种不同典范的微纳布局激光器特性比力

注：LSP 即分层办事提供商；SPP 为外表等离子激元。

就种种微纳激光器的提高水平来讲，除 VCSEL 以前告捷商用以外，其他典范的激光器在实践使用方面的路途仍旧迂回，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，纳米线激光器的机动调控波长以及等离子激元激光器的均衡功能使其在各自的使用范畴内有着广泛的提超过息。

微纳激光器在不同场合的使用，关于其功能要求有所不同，所合适的武艺方案约莫有很大不同。如在其最大的目标市场光通讯和光信息处理范畴，制品率、可靠性与寿命方面的要求使得电泵浦的基于微纳加工的处理方案更为合适；而在生物医疗范畴，在生物兼容性和尺寸方面的严厉要求下，光泵浦和自构造的方案会更有竞争力。

微纳激光器的提高必要强壮的武艺才能确保。除了微纳加工武艺以外，与之婚配的质料生长武艺、器件制备工艺，乃至检测封装武艺均必要举行针对性的开发，制止显现某项武艺的缺位与短板，从而限定整个器件的功能水平。

（三） 拓扑绝缘体激光器

拓扑绝缘体激光器是半导体激光武艺与凝结态物理中 “拓扑绝缘体”看法的团结。使用拓扑布局中的边沿态看法，这种激光器对器件内里布局的扰动和缺陷不敏感，易于完成高输入功率、高鲁棒性、形式安定的激光。尤其在大功率激光器以及新兴的纳米光子激光器中，这种激光器对散射斲丧和随机制造缺陷不敏感的特点使其十分实用于高功率锁模激光阵列和量子信息产生及传输等范畴的使用。

只管距离初次提出基于半导体拓扑布局的拓扑绝缘体激光器看法仅有两年（2018 年初次提出 [16,17]），此类激光器精良的输入安定性和布局缺陷不敏敏感以前惹起了国表里很多研讨职员的眷注，并渐渐成为了干系学科的研讨抢手。现在此类激光器大多以半导体微纳拓扑布局为布局单位，经过拓扑布局构成的光场或电子限定来完成谐振功效，进而完成激光器的定向单模激射。表 3 给出了几种不同典范的拓扑绝缘体激光器。以 2020 年北京大学完成的纳米腔拓扑激光器为例 [18]，这种激光器可以完成垂直发射的单模激光，出射朝向可以经过器件拓扑布局举行调停，朝向性高、体积小、阈值低、线宽窄，横向和纵向形式都有很高的边模克制比。别的，使用拓扑对称的看法和其他新型激光器的团结，国际上以前在实际上取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]。

表3 几种基于拓扑态的拓扑绝缘体激光器

拓扑绝缘体激光器方面的提高仍处于物理看法提出和验证阶段。加强学科交织，促进多学科、多范畴互助，团结半导体激光器的特点，创新的实际研讨和实行验证是如今的重点。

三、国表里半导体激光器产业提高现状

半导体激光产业以前成为整个激光产业的基石，而激光产业也以前成为人类社会生存不成支解的一局部。据统计，2019 年举世激光器的贩卖额估计将维持 6% 的增长速率，到达 146 亿美元。此中半导体激光器的市场范围（包含直接的半导体激光器，也包含固体激光器与光纤激光器的泵浦源）约为 68.8 亿美元，占激光器全体市场的 50% 支配，年增长率约为 15% [22]。

以现有产业布局来看，整个行业主要包含质料、芯片、器件、模块、体系等几个使用节点，但无论是高明的质料和芯片产业照旧中卑劣的器件、模块、体系产业无疑都是武艺茂密和资金茂密型产业，必要多量的武艺沉淀积累和巨额的资金投入。

颠末数十年的提高，外洋市场客户对产物的本钱控制、器件功能的要求越来越全盘，对产物的挑选也越来越严厉，比年来，遭到这些要素的影响，行业的提高显现了一些新的趋向。

从使用角度来讲，半导体激光器产物正在从产业使用范畴向消耗使用范畴扩展，其市场范围约莫迎来发作性的增长，但竞争也将进一步加剧。2018 年苹果手机中接纳 Lumentum 公司的垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为传感光源是这一趋向的标志性事变。后者经过在消耗电子产业的深耕，动员和引导了市场的提高朝向，使用创新的使用，在武艺优秀性不占上风的情况下，改动了与 II-VI、Finisar 等公司的竞争格式。

从半导体激光器从业企业的角度看，其竞争态势与 20 世纪 90 年代的微电子行业有一定的相似之处。都履历了从中小型企业自在竞争，到经过兼兼顾组产生的“巨无霸”型公司支解市场的竞争路途。如原本在产业界就占上风位置的 Lumentum 与Oclaro 公司的兼并以及 II-VI 与 Finisar 公司的重组，势必对产业内其他中小型企业的活着现状产生严峻影响。

比年来新情势的半导体激光器公司也取得了宏大提高，包含大型集成计划制造（IDM）公司，代工（Foundry）企业，无消费线（Fabless）公司等。

IDM 形式（垂直集成）公司，实践上是举行半导体激光器消费的使用体系公司，以半导体激光器产物为其中心竞争力，但并不以它为终极产物外形。以 IPG 光电子公司、干系激光公司（Coherent）等固体激光、光纤激光和激光加工企业为代表。他们大多经过并购或自行提高，在企业内里完成了从质料、芯片、器件、模块、体系的完备集成。最早完成“垂直集成”的 IPG 公司据此奠基了在光纤激光器范畴的相对上风位置，只管有多余的消费才能，但半导体激光器乃至不作为产物出售。

Foundry 企业主要从事外表和芯片工艺方面的事情。外表方面包含英国 IQE、美国英特磊科技仅限公司（IntelliEpi）、台湾省全新光电、日本的住友化学。此中 IQE 所占据的整个外表芯片市场份额已到达 60%，与 VCSEL 使用相对应的市场份额已到达 80%。芯片工艺方面，台湾省的稳懋、宏捷科、GCS 环宇占整个芯片代工市场 90% 的市场份额。这类公司具有强壮的专项才能和本钱控制水平，可以助力客户完成精良的本钱和功能控制。

Fabless 企业本身只从事半导体激光器计划和封装测试等事情，而委托 Foundry 举行消费。这类企业以中小型为主，但有些大型企业也会以相似的办法将消费举行外包，乃至向 Fabless 企业转换，从而低落全体运营本钱。如 Lumentum 只管本身具有垂直整合才能，但其 VCSEL 的计划和消费主要由IQE 和稳懋（WIN）代工完成；而 Avago 则将芯片工艺局部举行了剥离，将其位于科罗拉多的工场出售给了台湾地区的稳懋，而入股该公司，成为了该公司的第三大股东，消费也委托给稳懋举行。

通常来讲，IDM 公司的半导体激光器在功能和可塑性上更具上风；而经过 Foundry 与 Fabless 企业的组合可以将产物本钱控制得更低。

从半导体激光器产业与上卑劣产业的干系来看，其产业动员才能强、先发效应分明，在产物中的功能比重宏大于其价格比重。半导体激光器是体系使用的中心竞争力，对器件的功效和可靠性的体系验证又必要长时间、大样本量的闭环优化，试错本钱高，构成了较高的“门槛”。在半导体激光器产业成熟的这一历程中，抢先者与追逐者的差距被进一步拉大。这是我国干系行业提高初期所面临的主要成绩，尤其在中美商业战发作今后，这一成绩取得了更富裕的暴露。

比年来国度有针对性地对中心芯片举行了大力扶持，在人才和武艺储存方面取得了一定的基本，先发效应的影响取得了一定水平的缓解，但种种办法的真正奏效，仍旧必要一个历程。

我国半导体激光器产业的提高，前弱后强的征象十分严峻。在卑劣体系行业，以前涌现出如华为武艺仅限公司、规复通讯股份仅限公司等行业向导企业，光模块企业也有苏州旭创科技仅限公司等优秀企业可以在国际上与偕行举行竞争。但是，在高明的光芯片环节，我国干系企业的研发和消费才能极为不敷，质料方面则愈甚，干系企业范围均以中小型为主，从才能上难以与外洋产物竞争。只管当局的办理和支持热情很高，但由于非业内职员对芯片行业的熟悉不敷，同质化严峻，缺乏耐心和顶层计划，难以构成精良的产业链。整个产业处于有出息的产物无法取得市场，市场资金不愿支持武艺开发的恶性循环中。某些告捷的体系企业熟悉到了这一成绩，举行了垂直产业整合积极，但碰到了较大的困难，历程缓慢。

四、我国在半导体激光行业的提高需求

我国在半导体激光行业提高的主要需求是保证国度战略宁静。半导体激光器是光通讯、激光传感、激光加工、激光泵浦的中心元器件，还可以直接使用于激光雷达、激光测距、激光兵器、导弹制导、光电反抗等范畴。

建立完备的闭环产业链条，构成正反应，经过市场使用，促进前端中心芯片的增速成熟，使用成熟的芯片武艺，动员新后果和新使用的落地是我国干系产业提高应该选择的最佳途径。

我国半导体激光器产业长时处于追逐阶段，在某些范畴完成引领是行业提高的急迫需求。从实践动身，针对新使用，开发新器件，占据“先发上风”，是完成跨越的好效途径。

基于以上思索，距市场真正成熟仍有一定提高距离的新体制激光器产业，无疑是处理这一分歧的紧张打破口。

起首，我国在新体制激光器的研发方面与外洋的差距相对较小。遭到比年来政策倾向的支持，我国在交织学科交融以及新兴半导体激光器范畴以前有了久远的提高。尤其在微纳光学和微纳激光范畴，我国的科研职员经过国际互助到场或掌管了很多天下顶尖的研讨后果，假如可以将这些后果举行产业化转移，一定会为我国新体制半导体激光器产业的提高奠基精良的基本。其次，新体制激光器触及基本物理范畴。我国比年来器重基本学科建立，为新体制激光器的提高提供了人才基本和提高潜力。最初，在新体制激光器产业范畴，外洋的提高与我们一样处于起步阶段，经过国度的资金和政策支持，我国的新体制激光器提高将有才能在天下新体制激光器产业的提高中占据一席之地。

武艺的积累和产业的提高不克不及一挥而就，在看到渴望的同时也要正视所碰到的困难。我国半导体激光器产业的提高仍旧处于相对落伍的形态，无论是武艺实际、人才储存照旧工艺流程和消费装备都远远落伍于外洋的优秀企业。企业范围仍旧以中小型民营企业为主，所消费的产物也主要面临中低端使用，无法完本钱质上的产业厘革。武艺输入仍旧以单一武艺或单一专利为基本，无法构成完备的产业链提高，更无法创建完满的“产学研”团结体系。制造装备仍旧以入口装备为主，剧烈依托于外洋的武艺输入，无法完成真正的自主知识产权。以是，干系朝向的政策培植火烧眉毛。

五、对策发起

半导体激光产业是干系国计民生的基本产业之一，半导体激光器产业的提高对我国在古代信息化社会的竞争中抢占先机具有紧张意义。富裕发扬我国在市场方面的上风开发新使用，坚持自主的准则提高新武艺，勉励新看法和学科交织提高新实际，完成新体制的半导体激光器提高。新体制半导体激光器产业的竞争范畴在国际范围内仍有宽广的国土。团结我国的政策上风、科技提高水安然人才储存，在将来的 10~20 年我们有渴望在新体制半导体激光器范畴内培养出可以与天下抢先激光产业巨头相抗衡的精良企业，为抢占战略制高点，为半导体激光产业的进一步提高提供源动力。

起首，鉴于如今半导体激光器产业提高中的困难和挑唆， 我国在近期的主要职责是有选择、有针对性地培植实用于特种使用的半导体激光器的研制和消费，如针对高功率、窄线宽、特别波长等使用，举行干系科研和武艺攻关及企业武艺转移。富裕评价国产器件功能，正视差距，积极提升，确保国度装备宁静。

其次，在民用范畴，推进本钱敏感的半导体激光器国产化交换，富裕使用市场导向和企业本身动力，辅以场合政策引导培植，注意干系产物的差别化，制止一窝蜂式提高是如今的紧张目标。比如，比拟电信使用，数据中央使用中光器件和模块生命周期短、维护较便利，进入门槛相对较低；在激光加工体系中，半导体激光器本钱占比高，中低功率质料加工企业具有较高的交换志愿，也是国产器件的打破口。在这一历程中，还可以进一步培养企业，培养人才。

最初，发掘已有武艺的使用潜力。关于成熟的大概将近成熟的一些半导体激光器，如新体制的垂直外腔面发射激光器等，从实践使用动身，举行开发或二次开发，推进武艺的横向拓展和范畴交织，针对新使用举行有针对性的武艺提升，使用与体系和使用厂商的严密接洽占据“先发上风”。

在中长时，主要目标是完成高端半导体激光器的国产化和自主提高，必要国度层面更多的到场乃至主导，必要时可以接纳政策培植，资金和专项经费倾斜等伎俩。

（1）富裕使用我国在使用端的宏大上风，勉励IDM 形式公司大概公司群的创建。可以接纳引导建立多个具有安定互助干系的纵向企业团体的办法，完成器件开发和使用的反应闭环，促进前端中心质料和器件的成熟。

（2） 下大力气勉励和引导国产器件的使用。接纳国度投资或补助的办法，创建完备的国产化交换树模平台，在实践使用条件下完成国产化中心器件评价；在此基本上以政策倾斜、财务补助等办法勉励国产器件使用。

（3）创建具有芯片代工场功效的全自主的、完备的新武艺开发通用平台，以对武艺水平要求高的新体制微纳激光器为牵引，同时满意无消费线企业的激光器制备需求，提升综合才能。尤其要补偿短板，把握中心武艺和紧张工艺，制止“卡脖子”成绩，为新型半导体激光器的提高提供武艺保证。

（4）勉励新看法、新器件，事先布局，把握先发上风。展开包含拓扑绝缘体激光器等新体制半导体激光器及其相应工艺的研讨；勉励跨行业和前后端交换，在得当阶段由新看法开发转入针对具体使用的武艺开发。