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? ⒘孔有矢摺⒄竦雌德矢叩奶氐悖⒖芍苯釉誚細(xì)叩奈露認(rèn)鹿ぷ鰲? (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(xiàn)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(xiàn)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。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(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(xiàn)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。科學(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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最多也是生長(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(mǎn)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。