一文看懂半导体脉冲激光器发展！

时间: 2024-08-01 13:15:47 |   作者: 产品动态

　　具有体积小、结构相对比较简单、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

　　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的潜在能力。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备极其重大的意义。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来进行介绍。

　　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］。

　　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停地改进革新使其性能提升更具发展潜力。

　　改进激光器管芯结构，能有效提升激光器输出功率。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 个部分所组成：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，其脉冲维持的时间大约低至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，工艺精度逐步的提升，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 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 和维持的时间为 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。

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