一、量子阱(QW)激光器

(1)QW激光器

隨著金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積（MOCVD）技術(shù)的逐漸成熟和完善，QW激光器很快從實(shí)驗(yàn)室研制進(jìn)入商用化。QW器件是指采用QW材料作為有源區(qū)的光電子器件，材料生長(zhǎng)一般是采用MOCVD外延技術(shù)。這種器件的特點(diǎn)就在于它的QW有源區(qū)具有準(zhǔn)二維特性和量子尺寸效應(yīng)。QW激光器與體材料激光器相比，具有閾值電流小、量子效率高、振蕩頻率高的特點(diǎn)，并可直接在較高的溫度下工作。

(2)應(yīng)變QW激光器

為了進(jìn)一步改善QW激光器的性能，人們又在QW中引入應(yīng)變和補(bǔ)償應(yīng)變，出現(xiàn)了應(yīng)變QW激光器和補(bǔ)償應(yīng)變QW激光器。應(yīng)變的引入減小了空穴的有限質(zhì)量，進(jìn)一步減小了價(jià)帶間的躍遷，從而使QW激光器的閾值電流顯著降低，量子效率和振蕩頻率再次提高，并且由于價(jià)帶間躍遷的減小和俄歇復(fù)合的降低而進(jìn)一步改善了溫度特性，實(shí)現(xiàn)了激光器無(wú)致冷工作。在阱和壘中分別引入不同應(yīng)變（張應(yīng)變/壓應(yīng)變）實(shí)現(xiàn)應(yīng)變補(bǔ)償，不僅能改善材料質(zhì)量，從而提高激光器的壽命，而且可利用壓應(yīng)變對(duì)應(yīng)于TE模式、張應(yīng)變主要對(duì)應(yīng)于TM模式的特性，制作與偏振無(wú)關(guān)的半導(dǎo)體激光放大器。

引人矚目的是，GaSb基銻化物材料的研究多年來(lái)倍受重視，因其波長(zhǎng)覆蓋范圍寬，可從1.7m延展到4.5m，但材料生長(zhǎng)和器件制作比較困難，1990年以前器件性能指標(biāo)較低。經(jīng)過(guò)近十年的努力，目前MBE生長(zhǎng)GaSb基銻化物應(yīng)變量子阱激光器已在1.9 2.6m波段先后獲得室溫連續(xù)大功率工作的突破。

(3)我國(guó)QW激光器的進(jìn)展

我國(guó)從1993年年底開(kāi)始利用AIX200型低壓MOCVD系統(tǒng)進(jìn)行QW器件的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出幾十種InGaAsP系列、AlGaInAs系列材料和兩種系列的應(yīng)變QW材料，QW器件的開(kāi)發(fā)也取得豐碩的成果，完成了多項(xiàng)"863"項(xiàng)目，已形成產(chǎn)品的主要有如下器件：

（1）普通1.3 m QW激光器，國(guó)內(nèi)首批實(shí)用化的QW激光器產(chǎn)品，1995年開(kāi)始大量使用于移動(dòng)通信光纖傳輸直放站。

（2）應(yīng)變QW DFB激光器系列產(chǎn)品，波長(zhǎng)覆蓋1.5～1.57 m，1996年底批量生產(chǎn)并正式投放市場(chǎng)，主要作為2.5Gb/s SDH系統(tǒng)和WDM系統(tǒng)發(fā)射和信道監(jiān)控光源。

（3）大功率高線性1.3 m應(yīng)變QW DFB激光器，1997年小批量使用于CATV光發(fā)射機(jī)。

正在開(kāi)發(fā)的器件有：

（1）1.3 m、1.55 m AlGaInAs高溫?zé)o致冷應(yīng)變QW激光器，"863"項(xiàng)目。

（2）1.3 m、1.55 m補(bǔ)償應(yīng)變InGaAsP QW半導(dǎo)體激光放大器，"863"項(xiàng)目。

（3）2.5 Gb/s用的QW DFB激光器與電吸收型調(diào)制器的單片光集成器件。

QW激光器是發(fā)展高速光纖通信系統(tǒng)國(guó)家急需的關(guān)鍵器件。由于此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，大大推動(dòng)了我國(guó)光纖通信技術(shù)的發(fā)展。

二、分布反饋（DFB）激光器

DFB 激光譜線寬度要小于0.04nm，而且 DFB 激光波長(zhǎng)隨溫度的漂移相對(duì)較小，并具有高的邊模抑制比。這些特性使得 DFB 激光器非常適合密集波分復(fù)用 (DWDM) 的通信應(yīng)用。

(1)增益耦合DFB激光器

增益耦合DFB激光器由于它的發(fā)射模落在中心的基模上，從物理上保證了它必然是單縱模的動(dòng)作，單縱模成品率很高，比常用的折射率耦合DFB制作工藝難度小，成本也比較低，同時(shí)它還具有其他的優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)背反射光的抑制等。較為成熟的器件材料系，首推InGaAsP/InP MQW材料。

(2)電吸收調(diào)制DFB激光器（EML）：

直接調(diào)制DFB激光器受到馳振蕩效應(yīng)的限制，響應(yīng)速率難以越過(guò)5 Gb/s，同時(shí)在高速率下，由于伴隨著很大的正啁啾和負(fù)啁啾，使傳輸性能降低。直接調(diào)制的DFB激光器通常引入MZ調(diào)制器和電吸收調(diào)制器這兩種調(diào)制器，從光網(wǎng)絡(luò)體系考慮，調(diào)制器宜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能與DFB激光器實(shí)現(xiàn)單片集成。電吸收調(diào)制器比MZ調(diào)制器更有吸引力是因?yàn)樗梢耘cDFB激光器單片集成使結(jié)構(gòu)緊湊，并且省去了偏振控制。韓國(guó)大學(xué)無(wú)線電工程學(xué)院研制出了用于高比特速率和長(zhǎng)拖曳光通信系統(tǒng)的集成10Gb/s電吸收調(diào)制的DFB激光器，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)130km標(biāo)準(zhǔn)光纖的無(wú)損耗傳輸。

(3)可調(diào)諧DFB激光器

德國(guó)科學(xué)家日前演示了一種價(jià)格便宜的在整個(gè)可見(jiàn)光譜區(qū)內(nèi)可調(diào)的DFB薄膜有機(jī)物半導(dǎo)體激光器。這種DFB的發(fā)射波長(zhǎng)范圍由薄膜的厚度控制。薄膜材料為Alq:DCM。并采用聚乙烯對(duì)苯二亞甲基（PET）的可彎曲薄片作為襯底?？茖W(xué)家根據(jù)Alq：DCM薄膜的厚度不同（從120nm到435 nm）制作了幾種DFB激光器。當(dāng)薄膜厚度為120 nm時(shí)，激光器波長(zhǎng)為604 nm；厚度為435 nm時(shí)，激光器波長(zhǎng)為648 nm。實(shí)現(xiàn)了30nm的連續(xù)可調(diào)諧范圍。

(4)光纖光柵DFB激光器

若把光纖布拉格光柵作為半導(dǎo)體激光器的外腔反射鏡，就可以制出性能優(yōu)異的光纖光柵DFB激光器。這種激光器不僅輸出激光的線寬窄，易與光纖耦合，而且通過(guò)對(duì)光柵加以縱向拉伸力或改變LD的調(diào)制頻率就能控制輸出激光的頻率和模式。光纖光柵DFB激光器，其線寬小于15kHz，甚至可達(dá)1kHz，邊模抑制比大于30dB，當(dāng)用1.2Gb/s的信號(hào)調(diào)制時(shí)，啁啾小于0.5MHz，信噪比高達(dá)60dB。

三、大功率激光器

近年來(lái)，大功率半導(dǎo)體激光器陣列得到了飛速發(fā)展，已推出產(chǎn)品有連續(xù)輸出功率5Ｗ、10Ｗ、15Ｗ、20Ｗ和30Ｗ的激光器陣列。脈沖工作的激光器，峰值輸出功率50Ｗ、120Ｗ、1500Ｗ、和4800Ｗ的陣列也已經(jīng)商品化。
(1)808 nm InGaAsP無(wú)鋁大功率激光器

美國(guó)相干公司的半導(dǎo)體研究所研制了一種無(wú)鋁激光器，其準(zhǔn)連續(xù)波功率為50W，工作溫度高達(dá)75℃。在峰值功率為55W時(shí)測(cè)量，經(jīng)109次400 s脈沖后其功率衰減＜9%。峰值功率為60 W時(shí)，占空比為30%，激光器的半最大值全寬（FWHM）為2.2 nm。此無(wú)鋁激光器還具有抗暗線和污斑缺陷、抗斷裂、抗衰變和抗氧化等能力。保持高電光轉(zhuǎn)換的InGaAsP激光器棒具有窄線寬發(fā)射，低光束發(fā)散等特性，適用于航空電子學(xué)中作二極管泵浦固體平板激光器，醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域。

(2)具有小的垂直束發(fā)散角的808 nm 大功率激光器

半導(dǎo)體激光器發(fā)射時(shí)一般在平面垂線到外延層間存在大的發(fā)散束，這種發(fā)散是因?yàn)樵谟性磳痈浇纳习賯€(gè)納米區(qū)存在很強(qiáng)的光場(chǎng)限制，降低了最大輸出功率，并且由于高的光強(qiáng)而對(duì)體半導(dǎo)體或面半導(dǎo)體造成災(zāi)變性光學(xué)損傷（COD）。

德國(guó)采用將高折射率層插入兩層包層之間的方法，減少光束發(fā)散和光場(chǎng)限制，提高了半導(dǎo)體激光器的可用性，增強(qiáng)了光輸出功率。閾值電流密度為280 A/cm2，轉(zhuǎn)換效率接近50%，輸出功率達(dá)2W。

四、垂直腔面發(fā)射激光器

VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)及其陣列是一種新型半導(dǎo)體激光器，它是光子學(xué)器件在集成化方面的重大突破，它與側(cè)面發(fā)光的端面發(fā)射激光器在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同。端面發(fā)射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；與此相反，VCSEL的發(fā)光束垂直于晶片表面。它優(yōu)于端面發(fā)射激光器的表現(xiàn)在：

●易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成；

●圓形光束易于實(shí)現(xiàn)與光纖的有效耦合；

●有源區(qū)尺寸極小，可實(shí)現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流；

●芯片生長(zhǎng)后無(wú)須解理、封裝即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)；

●在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作；

●價(jià)格低。

(1)結(jié)構(gòu)

(2)襯底的選擇

硅上VCSEL

在硅（Si）上制作的VCSEL還不曾實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。這是由于將AlAs/GaAs DFB直接生長(zhǎng)在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率較低。 日本Toyohashi大學(xué)的研究者由于在GaAs/Si異質(zhì)界面處引入多層（GaAs）m（GaP）n應(yīng)變短周期超晶格（SSPS）結(jié)構(gòu)而降低了GaAs-on-Si異質(zhì)結(jié)外延層的螺位錯(cuò)密度。

藍(lán)寶石上VCSEL

美國(guó)南方加利福利亞大學(xué)的光子技術(shù)中心為使底部發(fā)射850nm VCSEL發(fā)射的光穿過(guò) 襯底，采用晶片鍵合工藝將VCSEL結(jié)構(gòu)從吸收光的GaAs襯底移開(kāi)，轉(zhuǎn)移到透明的藍(lán)寶石襯底上，提高了wall-plug效率，最大值達(dá)到25%。
GaAs上VCSEL

基于GaAs基材料系統(tǒng)的VCSEL由于高的Q值而備受研究者青睞，目前VCSEL較多也是生長(zhǎng)在GaAs襯底上。但以GaAsSb QW作為有源區(qū)的CW長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL發(fā)射波長(zhǎng)被限制在1.23 m。發(fā)射波長(zhǎng)1.3 m的GaAsSb-GaAs系統(tǒng)只有側(cè)面發(fā)射激光器中報(bào)道過(guò)。日前美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的F.Quochi等人演示了室溫CW時(shí)激射波長(zhǎng)為～1.28 m的生長(zhǎng)在GaAs襯底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。這個(gè)波長(zhǎng)是目前報(bào)道的GaAsSb-GaAs材料系最長(zhǎng)的輸出波長(zhǎng)。

(3)新工藝

氧化物限制工藝

氧化物限制的重大意義在于：能較高水平地控制發(fā)射區(qū)面積和芯片尺寸，并能極大地提高效率和使光束穩(wěn)定地耦合進(jìn)單模和多模光纖。因此，采用氧化物限制方案器件有望將閾值電流降到幾百Ａ，而驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到幾個(gè)mA就足以產(chǎn)生1mW左右的輸出光功率。

采用氧化孔徑來(lái)限制電流與光場(chǎng)，使效率得到顯著提高，同時(shí)降低了VCSEL的閾值電流。所以，現(xiàn)在極有可能在單個(gè)芯片上制作大型和密集型封裝的氧化限制VCSEL陣列而不會(huì)存在嚴(yán)重的過(guò)熱問(wèn)題。除低閾值電流和高效率外，均勻性是成功的VCSEL陣列的又一重要因素。在駐波節(jié)點(diǎn)處設(shè)置微氧化孔提高了VCSEL陣列的均勻性，并降低了小孔器件的散射損耗。美國(guó)University of Southern California大學(xué)日前演示的均勻晶片鍵合氧化限制底部發(fā)射850nm VCSEL陣列中，5 5 VCSEL陣列的平均閾值電流低至346 A，而平均外量子效率接近57%，室溫連續(xù)波電流激射時(shí)單模輸出功率超過(guò)2 mW。他們還演示了大（10 20）VCSEL陣列，其閾值電流和外量子效率的變化分別低于4%與2%。

晶片鍵合工藝

長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器（LW-VCSEL）因其低價(jià)格、超低閾值和小的光束發(fā)散，作為光纖通信系統(tǒng)中的激光源有很大的潛力。但是由于它的氧化層和有源層間存在著為滿足足夠的電流傳播和弱的光橫向限制的固有距離，使LW-VCSEL遭受橫電光限制，因此在高的結(jié)電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的橫模圖形。

日本NTT光子實(shí)驗(yàn)室將具有充分的橫向限制的掩埋異質(zhì)結(jié)（BH）引入1.55 m VCSEL中，采用了薄膜晶片鍵合工藝使InP基掩埋異質(zhì)結(jié)VCSEL制作在 GaAs-DBR 上。具體過(guò)程:（a）采用MOCVD生長(zhǎng)InP 基激光器結(jié)構(gòu)（第一次生長(zhǎng)）；（b）采用反應(yīng)離子刻蝕（RIE）形成臺(tái)面方形；（c）再一次生長(zhǎng)摻Fe InP層和n-InP層（第二次生長(zhǎng)）；（d）又一次生長(zhǎng)p-InP相位匹配和p-InGaAs接觸層（第三次生長(zhǎng)）；（e）將外延層安裝在Si板上并用蠟作機(jī)械支撐；（f）采用HCl和H3PO4化學(xué)溶液腐蝕InP襯底和InGaAsP腐蝕中止層；（g）將InP基和GaAs基層的兩表面在相同結(jié)晶方向面對(duì)面放置，然后在室溫下蠟熔解而使Si片分開(kāi)，將樣品送入退火爐以形成化學(xué)鍵合；（h）將臺(tái)面上部的p-InGaAs移開(kāi)并將普通電極和SiO2-TiO2介質(zhì)鏡從臺(tái)面上移去。底部涂覆一層抗反射涂層。

因?yàn)槿酆辖缑孢h(yuǎn)離有源區(qū)，而且它不在器件電流通過(guò)的路徑上，所以晶片鍵合過(guò)程不會(huì)影響器件特性。

此LW-VCSEL結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，諧振腔波長(zhǎng)可在晶片融合之前監(jiān)控，因此發(fā)射波長(zhǎng)可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性會(huì)由于有源層和InP-GaAs熔合界面之間有足夠距離而變得很高。此外，它能低電壓工作的潛力在很大程度上是因?yàn)閜-GaAs-AlAs DBR和p-InP-p-GaAs界面間的高電阻得到了消除。