边发射半导体激光器的工作原理和应用现状

引言

根据谐振腔制造工艺的不同，半导体激光芯片分为 边发射激光芯片（EEL） 和 垂直腔面发射激光芯片 （VCSEL）两大类，其具体结构差异如图1所示。相比于垂直腔面发射激光器，边发射半导体激光器的技术发展更为成熟，具有波长范围广、电光转换效率高、功率大等优势，非常适用于激光加工、光通信等领域。目前，边发射半导体激光器作为光电子行业的重要组成部分，其应用已涵盖工业、电信、科学、消费、军事以及航空航天等方面。随着技术的发展和进步，边发射半导体激光器的功率、可靠性和能量转换效率等性能都得到了极大的提高，其应用前景也越发广泛。

接下来，小编将带领大家进一步领略边发射半导体激光器的独特魅力。

图1 （左）边发射半导体激光器与（右）垂直腔面发射激光器结构示意图

边发射半导体激光器工作原理

边发射半导体激光器的结构可分为以下三部分：半导体有源区、泵浦源以及光学谐振腔。与垂直腔面发射激光器的谐振腔（由顶、底部布拉格反射镜构成）不同，边发射半导体激光器器件中的谐振腔主要由两侧的光学膜构成，典型的EEL器件结构及谐振腔结构如图2所示。边发射半导体激光器器件中的光子经谐振腔选模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光。边发射半导体激光器器件的工作波长范围广，适用于多种实际应用，因此成为了理想的激光光源之一。

图2 典型的EEL器件及谐振腔结构示意图

边发射半导体激光器的性能评价指标也与其他半导体激光器一致，具体包括：（1）激光器激射波长；（2）阈值电流Ith，即激光二极管开始产生激光振荡的电流；（3）工作电流Iop，即激光二极管达到额定输出功率时的驱动电流，该参数应用于激光驱动电路的设计调制；（4）斜率效率；（5）垂直发散角θ~⊥；（6）水平发散角θ∥；（7）监控电流Im~，即半导体激光芯片在额定输出功率时的电流大小。

GaAs基和GaN基边发射半导体激光器研究进展

基于GaAs半导体材料制备得到的半导体激光器，是发展最为成熟的半导体激光器技术之一。目前，GaAs基近红外波段（760-1060 nm）边发射半导体激光器已实现广泛的商业化应用。近年来，外延和封装工艺等方面的研究突破也推动了GaAs基近红外波段边发射半导体激光器性能的进一步提升，其中GaAs基近红外边发射半导体激光器研究进展如表1所示：

表1 近年来基于GaAs材料的近红外边发射半导体激光器性能参数进展

GaN作为继Si与GaAs之后的第三代半导体材料，由于其优异的物理、化学特性，在科研界与产业界得到了广泛关注。在GaN基光电子器件的发展热潮和科研工作者们的努力下，GaN基发光二极管和边发射激光器已经实现产业化。

GaN基边发射半导体激光器的主要发展历程如下：

1994年，诺贝尔奖获得者赤崎勇教授、天野浩教授（2014年诺贝尔奖得主）首先提出了基于氮化镓双异质结构的402.5 nm半导体激光器；

1996年，诺贝尔奖获得者中村修二（2014年诺贝尔奖得主）带领团队首次研制出GaN基紫光激光器；

2014年，德国欧司朗集团报道了斜率效率为1.6 W/A、光功率约4.5 W的蓝光激光器；

2017年，日本日亚化学工业株式会社报道了斜率效率为1.8 W/A、光功率约4.7 W的蓝光激光器，以及光功率约0.87 W的绿光激光器；

2017年，索尼有限公司报道了斜率效率为5.2 W/A，光功率约1.8 W的绿光激光器；

2020年，中科院苏州纳米所提出了一种新型硅基GaN翻转脊形波导激光器结构，大幅提高了器件的串联电阻和热阻性能；

2020年，中科院苏州纳米所研制出了斜率效率为1.65 W/A，光功率约4 W的蓝光激光器······

边发射半导体激光器应用现状

由于边发射半导体激光器具有波长范围广、大功率等特点，目前已成功应用于汽车、光通信、激光医疗等多个领域。据国际知名市场调研机构Yole Développement预测，边缘发射激光器市场将在2027年增长至74亿美元，复合年增长率为13%。这种增长将持续受到光通信的推动，例如用于数据通信和电信的光模块、放大器以及3D传感应用。针对不同的应用需求，目前行业内已经开发出了不同的EEL结构设计方案，包括：法布里珀罗（FP）半导体激光器、分布式布拉格反射器（DBR）半导体激光器、外腔激光器（ECL）半导体激光器、分布式反馈（DFB）半导体激光器、量子级联半导体激光器（QCL）和广域激光二极管（BALD）等，不同应用对边发射激光器的性能要求如表2所示。

表2 不同应用对边发射激光器的性能要求

边发射半导体激光器应用案例如图3所示。随着光通信、3D传感应用等领域需求的不断增长，人们对半导体激光器的需求也在不断加大。此外，边发射半导体激光器与垂直腔面发射半导体激光器也在新兴应用中起到了相互填补短板的作用，例如：

（1）在光通信领域中，1550 nm InGaAsP/InP分布式反馈 (DFB) EEL和1300 nm InGaAsP/InGaP 法布里-珀罗EEL通常在2公里至40公里的传输距离和高达40 Gbps的传输速率下使用。然而，在60米至300米传输距离和较低的传输速度下，基于850 nm InGaAs和AlGaAs的VCSEL则居支配地位；

（2）垂直腔面发射激光器具有小体积、窄波长等优势，因此在消费电子市场取得了广泛应用，而边发射半导体激光器的亮度、功率优势则为远程传感应用、大功率加工领域铺平了道路；

（3）边发射半导体激光器与垂直腔面发射半导体激光器都可用于中短程激光雷达，以实现盲点检测、车道偏离等具体应用。

未来发展

边发射半导体激光器具有高可靠性、小型化、发光功率密度高等优势，在光通信、激光雷达、医疗等领域都具有广阔的应用前景。

然而，尽管边发射半导体激光器的制造工艺已比较成熟，但为了满足产业和消费市场对于边发射半导体激光器不断增长的需求，就需要对边发射半导体激光器的技术、工艺、性能等方面进行持续优化，包括：降低晶圆内部缺陷密度；减少工艺程序；研发新技术替代传统容易引入缺陷的砂轮、刀片晶圆切割工艺；优化外延结构提高边发射激光器工作效率；降低制造成本等。此外由于边发射激光器的出光在半导体激光芯片的侧面边缘，难以实现小尺寸芯片封装，因此相关的封装工艺仍需进一步突破。

审核编辑：汤梓红