一、量子阱(QW)激光器 (1)QW激光器 隨著金屬有機物化學汽相淀積（MOCVD）技術的逐漸成熟和完善，QW激光器很快從實驗室研制進入商用化。QW器件是指采用QW材料作為有源區(qū)的光電子器件，材料生長一般是采用MOCVD外延技術。這種器件的特點就在于它的QW有源區(qū)具有準二維特性和量子尺寸效應。QW激光器與體材料激光器相比，具有閾值電流? ⒘孔有矢摺⒄竦雌德矢叩奶氐悖⒖芍苯釉誚細叩奈露認鹿ぷ鰲? (2)應變QW激光器 為了進一步改善QW激光器的性能，人們又在QW中引入應變和補償應變，出現(xiàn)了應變QW激光器和補償應變QW激光器。應變的引入減小了空穴的有限質(zhì)量，進一步減小了價帶間的躍遷，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，并且由于價帶間躍遷的減小和俄歇復合的降低而進一步改善了溫度特性，實現(xiàn)了激光器無致冷工作。在阱和壘中分別引入不同應變（張應變/壓應變）實現(xiàn)應變補償，不僅能改善材料質(zhì)量，從而提高激光器的壽命，而且可利用壓應變對應于TE模式、張應變主要對應于TM模式的特性，制作與偏振無關的半導體激光放大器。 引人矚目的是，GaSb基銻化物材料的研究多年來倍受重視，因其波長覆蓋范圍寬，可從1.7m延展到4.5m，但材料生長和器件制作比較困難，1990年以前器件性能指標較低。經(jīng)過近十年的努力，目前MBE生長GaSb基銻化物應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QW激光器的進展 我國從1993年年底開始利用AIX200型低壓MOCVD系統(tǒng)進行QW器件的開發(fā)，現(xiàn)已開發(fā)出幾十種InGaAsP系列、AlGaInAs系列材料和兩種系列的應變QW材料，QW器件的開發(fā)也取得豐碩的成果，完成了多項"863"項目，已形成產(chǎn)品的主要有如下器件： （1）普通1.3 m QW激光器，國內(nèi)首批實用化的QW激光器產(chǎn)品，1995年開始大量使用于移動通信光纖傳輸直放站。 （2）應變QW DFB激光器系列產(chǎn)品，波長覆蓋1.5～1.57 m，1996年底批量生產(chǎn)并正式投放市場，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應變QW DFB激光器，1997年小批量使用于CATV光發(fā)射機。 正在開發(fā)的器件有： （1）1.3 m、1.55 m AlGaInAs高溫無致冷應變QW激光器，"863"項目。 （2）1.3 m、1.55 m補償應變InGaAsP QW半導體激光放大器，"863"項目。 （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)國家急需的關鍵器件。由于此項關鍵技術的突破，大大推動了我國光纖通信技術的發(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 激光波長隨溫度的漂移相對較小，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用 (DWDM) 的通信應用。 (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，同時它還具有其他的優(yōu)點，如對背反射光的抑制等。最成熟的器件材料系，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的限制，響應速率難以越過5 Gb/s，同時在高速率下，由于伴隨著很大的正啁啾和負啁啾，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)絡體系考慮，調(diào)制器宜結構簡單并能與DFB激光器實現(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為它可以與DFB激光器單片集成使結構緊湊，并且省去了偏振控制。韓國大學無線電工程學院研制出了用于高比特速率和長拖曳光通信系統(tǒng)的集成10Gb/s電吸收調(diào)制的DFB激光器，實現(xiàn)了超過130km標準光纖的無損耗傳輸。 (3)可調(diào)諧DFB激光器 德國科學家日前演示了一種價格便宜的在整個可見光譜區(qū)內(nèi)可調(diào)的DFB薄膜有機物半導體激光器。這種DFB的發(fā)射波長范圍由薄膜的厚度控制。薄膜材料為Alq:DCM。并采用聚乙烯對苯二亞甲基（PET）的可彎曲薄片作為襯底。科學家根據(jù)Alq：DCM薄膜的厚度不同（從120nm到435 nm）制作了幾種DFB激光器。當薄膜厚度為120 nm時，激光器波長為604 nm；厚度為435 nm時，激光器波長為648 nm。實現(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，而且通過對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1kHz，邊模抑制比大于30dB，當用1.2Gb/s的信號調(diào)制時，啁啾小于0.5MHz，信噪比高達60dB。 三、大功率激光器 近年來，大功率半導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無鋁大功率激光器 美國相干公司的半導體研究所研制了一種無鋁激光器，其準連續(xù)波功率為50W，工作溫度高達75℃。在峰值功率為55W時測量，經(jīng)109次400 s脈沖后其功率衰減＜9%。峰值功率為60 W時，占空比為30%，激光器的半最大值全寬（FWHM）為2.2 nm。此無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，適用于航空電子學中作二極管泵浦固體平板激光器，醫(yī)學和工業(yè)等領域。 (2)具有小的垂直束發(fā)散角的808 nm 大功率激光器 半導體激光器發(fā)射時一般在平面垂線到外延層間存在大的發(fā)散束，這種發(fā)散是因為在有源層附近的上百個納米區(qū)存在很強的光場限制，降低了最大輸出功率，并且由于高的光強而對體半導體或面半導體造成災變性光學損傷（COD）。 德國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)散和光場限制，提高了半導體激光器的可用性，增強了光輸出功率。閾值電流密度為280 A/cm2，轉換效率接近50%，輸出功率達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體激光器，它是光子學器件在集成化方面的重大突破，它與側面發(fā)光的端面發(fā)射激光器在結構上有著很大的不同。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： ●易于實現(xiàn)二維平面和光電集成； ●圓形光束易于實現(xiàn)與光纖的有效耦合； ●有源區(qū)尺寸極小，可實現(xiàn)高封裝密度和低閾值電流； ●芯片生長后無須解理、封裝即可進行在片實驗； ●在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作； ●價格低。 (1)結構 (2)襯底的選擇 硅上VCSEL 在硅（Si）上制作的VCSEL還不曾實現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。這是由于將AlAs/GaAs DFB直接生長在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率較低。 日本Toyohashi大學的研究者由于在GaAs/Si異質(zhì)界面處引入多層（GaAs）m（GaP）n應變短周期超晶格（SSPS）結構而降低了GaAs-on-Si異質(zhì)結外延層的螺位錯密度。 藍寶石上VCSEL 美國南方加利福利亞大學的光子技術中心為使底部發(fā)射850nm VCSEL發(fā)射的光穿過 襯底，采用晶片鍵合工藝將VCSEL結構從吸收光的GaAs襯底移開，轉移到透明的藍寶石襯底上，提高了wall-plug效率，最大值達到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最多也是生長在GaAs襯底上。但以GaAsSb QW作為有源區(qū)的CW長波長VCSEL發(fā)射波長被限制在1.23 m。發(fā)射波長1.3 m的GaAsSb-GaAs系統(tǒng)只有側面發(fā)射激光器中報道過。日前美國貝爾實驗室的F.Quochi等人演示了室溫CW時激射波長為～1.28 m的生長在GaAs襯底下的光泵浦GaAsSb-GaAs QW VCSEL。這個波長是目前報道的GaAsSb-GaAs材料系最長的輸出波長。 (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，而驅動電流達到幾個mA就足以產(chǎn)生1mW左右的輸出光功率。 采用氧化孔徑來限制電流與光場，使效率得到顯著提高，同時降低了VCSEL的閾值電流。所以，現(xiàn)在極有可能在單個芯片上制作大型和密集型封裝的氧化限制VCSEL陣列而不會存在嚴重的過熱問題。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)點處設置微氧化孔提高了VCSEL陣列的均勻性，并降低了小孔器件的散射損耗。美國University of Southern California大學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)波電流激射時單模輸出功率超過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 長波長垂直腔面發(fā)射激光器（LW-VCSEL）因其低價格、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，因此在高的結電流時會出現(xiàn)一個不穩(wěn)定的橫模圖形。 日本NTT光子實驗室將具有充分的橫向限制的掩埋異質(zhì)結（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VCSEL制作在 GaAs-DBR 上。具體過程:（a）采用MOCVD生長InP 基激光器結構（第一次生長）；（b）采用反應離子刻蝕（RIE）形成臺面方形；（c）再一次生長摻Fe InP層和n-InP層（第二次生長）；（d）又一次生長p-InP相位匹配和p-InGaAs接觸層（第三次生長）；（e）將外延層安裝在Si板上并用蠟作機械支撐；（f）采用HCl和H3PO4化學溶液腐蝕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晶方向面對面放置，然后在室溫下蠟熔解而使Si片分開，將樣品送入退火爐以形成化學鍵合；（h）將臺面上部的p-InGaAs移開并將普通電極和SiO2-TiO2介質(zhì)鏡從臺面上移去。底部涂覆一層抗反射涂層。 因為熔合界面遠離有源區(qū)，而且它不在器件電流通過的路徑上，所以晶片鍵合過程不會影響器件特性。 此LW-VCSEL結構有以下優(yōu)點：首先，諧振腔波長可在晶片融合之前監(jiān)控，因此發(fā)射波長可以提前控制。第二，激光器工作的可靠性會由于有源層和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為p-GaAs-AlAs DBR和p-InP-p-GaAs界面間的高電阻得到了消除。