一文看懂半导体脉冲激光器发展！

引言

半导体激光器具有体积小、结构简单、功耗低、光／电转换效率高和易于调制等特点，在民用和军用方面有较好的应用前景［1－5］。目前，半导体激光器在通信、测 距、加工和医疗等领域应用广泛［6］。随着半导体光电子技术的发展， 各行业对半导体激光器的需求愈发强烈，对其性能的要求也越来越高。

半导体激光器的驱动源分连续型驱 动和脉冲驱动 2 种模式。连续型驱动模式一般在激光二极管（LD）的阈值条件附近设置直流偏置，调节驱动电流控制其输出，在此过程中必须为 LD 增设反馈网络，通过负反馈调节实时控制驱动电流，确保 LD 稳定地工作；脉冲驱动模式中的驱动源以特定脉宽、 频率的信号驱动LD，对于脉冲电流纹波要求不高的场景，一般无需增设上述反馈网络。因此，脉冲驱动模式更具发展潜力。在脉冲驱动模式下， 由于驱动过程中只在 PN 结产生微弱的热效应，故在半导体激光器输出功率较低的情况下可以不为其增设温控系统。与连续驱动模式相比， 脉冲驱动模式下的 LD 能承受的脉冲信号幅值较高，导致 LD 输出光束的能量强度较大［1］。因此，研制具有较高技术指标要求（如研制脉冲参数、输出功率和重复频率等） 的窄脉冲半导体激光器具有重要的意义。本文综述半导体脉冲激光器的发展与研究现状，并对半导体激光器性能的提升方式进行介绍。

半导体脉冲激光器的发展与研究现状

目前， 半导体激光器性能的提升方式主要有2种：一种是优化半导体激光器结构、材料和加工工艺；另一种是提升半导体激光器驱动电源特性［9］。

1．1 半导体脉冲激光器在新材料、 新结构和新工艺技术方面的发展

改良激光器与其驱动电路的结构、优化工艺技术和提升半导体材料的性能，可增强半导体激光器的各项性能指标，尤其是新型半导体材料的不断创新使其性能提升更具发展潜力。

改进激光器管芯结构，能有效提高激光器输出功率。2009 年，中国科学院陈彦超等人［11］将驱动电路与激光器管芯集成封装成整体的激光器模块，得到了脉宽为 7 ns、 最大光功率为 176 W 的大功率窄脉冲，其多管芯阵列排序示意图如图 1 所示。单管半导体激光器作为窄脉冲激光光源时输出光功率小，激光器多管芯组合虽能实现大功率输出，但其结构等效电路的参数提取困难。针对这一问题，2012 年，长春理工大学辛德胜等人 ［12］ 提出了提取驱动电路参数的一种简便方法——基 于 外 特 性 测 量 法，并 应 用 此 方 法 设 计 了 一种板载结构的半导体激光器驱动电路， 得到脉宽为8．3 ns、输出功率为 180 W 的光脉冲。

近年来，半导体锁模激光器在结构方面的研究也取得进展。2012 年，STRAIN M J 等人［13］提出了一种紧凑 的 半 导 体 锁 模 激 光 器（DBR MLL），其 几 何 结 构 如图 2 所示，该结构主要由 3 个部分组成：可饱和吸收器（SA）、增益（GS）和分布式布喇格反射器（DBR）。采 用 DBR 的频谱滤波在各种驱动条件下产生 Q 开关锁模，表现出了强大的无源开关锁模能力。锁模脉冲宽度约为 3．5 ps， 脉冲峰值功率与平均功率比高达 121， Q 开关在频率 1～4 GHz 连续可调。2014 年，中国科学院与英国邓迪大学［14］联合研制了针对 760 nm 波段的第一个半导体锁模超短脉冲激光器——基于 AlGaAs多量子阱结构的多节 LD 被动锁模， 该激光器产生波段大约为 766 nm 的脉冲，其脉冲持续时间大约低至4 ps，在激光腔长度为 1．8 nm、1．5 nm 时，其对应的脉冲重复率分别为 19．4 GHz、23．2 GHz。

随着加工技术的发展，工艺精度不断提高，有利于提升激光器性能。2016 年，HE Y 等人［15］采取 0．13 μm集成互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺，设计了 全集成 CMOS 驱动电路， 用超短电流脉冲直接调制 LD的方法来生成皮秒激光脉冲，其模具显微图如图 3 所 示。该 CMOS 驱动电路由压控环形振荡器、压控延迟线、异或电路和电流源 4 个子电路组成。其中，振荡器产生的初始方波与延时方波进行异或，异或电路因此产生超短电流脉冲；再将 CMOS 芯片封装后与印制电路板（PCB）上的 LD 互连，有效 降低了寄 生参数的影响。此激光源的输出光脉冲的脉宽为 151 ps，重复频率为 5．3 MHz，峰值功率为 6．4 mW。

2017 年，华东师范大学和东京大学［16］采用 40 nm微 电 子 工 艺 技 术， 联 合 设 计 了 一 种 低 成 本 的 集 成CMOS 脉冲发生器， 通过外围电路将 CMOS 脉冲发生器转换为最小脉宽为 80 ps 且可调的电动脉冲管，其可调谐输出电压为 0．9～1．5 V，宽调谐范围可达 270 ns。根据激光系统的增益开光特性， 用此电脉冲直接驱动半导体激光器，在电脉冲宽度调谐到大约为 1．5 ns 时，激 光 器 能 产 生 脉 宽 为 100 ps 的 光 脉 冲 。2016 年 ，HUIKARI J 等人［17］对活性层厚度与约束因子之比 da Гa约为 3 μm、 条宽／腔长为 30 μm／3 mm 的体量子阱 LD进行了测试， 该半导体激光器能实现脉冲能量为 1nJ量级、脉冲长度为100 ps、脉冲幅值为 6～8 A 和持续时间为 1 ns 的电流脉冲。2018 年，TAJFAR A 等人［18］采用160 nm 的单片集成工艺（BCD）技术，设计了一种高功率、高强度和单芯片集成的 LD 驱动器，该半导体激光驱动器能产生脉宽小于 1 ns、 重复频率为 40 MHz 和峰值电流高达 20 A，且完全可编程的电脉冲；另外，他们还通过嵌入电流数／模转换（DAC）的方式，为 LD 提供其所需的阈值电流，改善 LD 的响应时间。2019 年，中国科学技术大学的 FENG B 等人 ［19］ 提出了一种采用130 nm CMOS 技术的可调幅度和脉宽的激光源驱动器，该驱动器能生成可调脉宽为 300 ps～3．8 ns、峰值电流为 70 mA 以及重复频率为 625 Mb／s 的电流脉冲。