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幾種新體制半導體激光器及相關產業的現狀、挑戰和思考

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幾種新體制半導體激光器及相關產業的現狀、挑戰和思考

分類:
行業新聞
作者:
李秀蕾
來源:
長春鐳銳光電科技有限公司
2020-08-230 08:55
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【摘要】:
一、前言半導體激光器是以半導體材料為增益介質的激光器,依靠半導體能帶間的躍遷發光,通常以天然解理面為諧振腔。因此其具有波長覆蓋面廣、體積小、結構穩定、抗輻射能力強、泵浦方式多樣、成品率高、可靠性好、易高速調制等優勢,同時也具有輸出光束質量差,光束發散角大,光斑不對稱,受到帶間輻射的影響導致光譜純度差、工藝制備難度高的特點。本文針對半導體激光器光譜純度差、光束質量差、大功率工作困難、難于實現腔內調控

一、前言

半導體激光器是以半導體材料為增益介質的激光器,依靠半導體能帶間的躍遷發光,通常以天然解理面為諧振腔。因此其具有波長覆蓋面廣、體積小、結構穩定、抗輻射能力強、泵浦方式多樣、成品率高、可靠性好、易高速調制等優勢,同時也具有輸出光束質量差,光束發散角大,光斑不對稱,受到帶間輻射的影響導致光譜純度差、工藝制備難度高的特點。

本文針對半導體激光器光譜純度差、光束質量差、大功率工作困難、難于實現腔內調控等缺點,以光泵浦垂直外腔面發射激光器、微納激光器和拓撲絕緣體激光器的研究發展路線為載體,簡要回顧新體制激光器的發展歷程,并通過研究總結相關器件的技術發展路線,總結了在多學科交叉的技術背景下,實現新物理、新概念以及新技術融合的方法,為我國半導體激光器產業的發展提出相關建議,以供參考。

二、幾種新體制長春半導體激光器簡介

新物理、新概念以及新技術與半導體激光器的融合,為其發展注入了新鮮的血液,通過與光學、電磁學、微電子學、拓撲學以及量子力學的交叉滲透,催生出了許多新體制激光器,它們或者有大規模的集成應用前景,或者有優秀的光束和光譜質量,或者有更高更穩定的輸出功率,或者有更小的體積和突破衍射極限的光斑,或者便于調制和倍頻,或者具有讓人興奮的微小功耗。這些新體制激光器的發展,代表了半導體激光器技術的先進水平,同時也反映著物理理論、工程技術以及制備工藝的發展現狀,值得進行深入的研究。其中,光泵浦垂直外腔面發射激光器、微納激光器和拓撲絕緣體激光器(見圖 1)分別代表了激光學科內部的交叉應用、激光器與光學的交叉應用以及激光器與新興物理領域交叉應用所催生出的新型半導體激光器,具有豐富的物理內涵和應用價值,本文將進行較詳細的討論。

幾種新體制半導體激光器及相關產業的現狀、挑戰和思考

圖1 基于半導體激光器的幾種新體制激光器及其特點

(一)光泵浦垂直腔面發射激光器

光泵浦垂直外腔面發射激光器(OP-VECSEL),又稱光泵浦半導體激光器(OPSLs),或半導體碟片激光器(SDL),是半導體激光與固體激光結合的產物。它的增益芯片采用半導體材料,與垂直腔面發射激光器(VCSEL)非常相似;諧振腔結構則采用固體激光器構型,通常由半導體芯片上的分布布拉格反射鏡 (DBR)和外腔鏡共同構成;泵浦方式通常使用光泵浦,可以提供更靈活的工作方式和更優良的器件性能。VECSEL 使用半導體芯片作為增益物質,可以提供多種波長選擇和寬譜的調諧范圍?;诠腆w激光器的光學腔使其可以方便進行腔內光學元件插入,易于進行脈沖壓縮、和頻、差頻及光束整形,可以產生如超短脈沖激光、特殊波長激光、太赫茲激光、多色激光等,滿足多種特殊應用需求。

由于 OP-VECSEL 的上述特點,目前該領域的主要研究內容集中在提高輸出功率、波長可調諧性,激光超短脈沖或超強脈沖產生以及特殊波長或多波長設計等方面。就波長覆蓋范圍來講,VECSEL 激光器目前已經實現了紫外波段到可見光波段再到紅外波段甚至太赫茲波段的全波段覆蓋。表 1 給出了不同波段 VECSEL 激光器的一些典型參數。通過腔內倍頻 VECSEL 實現的最短激射波長可以達到244 nm [1],使用雙波長腔內差頻實現的最長波長也可以達到 1.9 THz [2]。目前,VECSEL 激光器的最高單片輸出功率紀錄為 106 W [3],最高重復頻率為 175 GHz [4],最小脈沖寬度為 60 fs [5]。

表1 不同波段 VECSEL 激光典型參數

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VECSEL 非常適合需要高性能光源的定制化應用,正處于面向應用的關鍵技術研發階段,如特殊環境通信或特殊波長傳感等。大量固體激光和半導體激光領域的現有技術被用來改善激光器的輸出特性。諧振腔設計、光譜控制、腔內倍頻、鎖模、多程泵浦、碟片等固體激光技術,以及芯片制備和熱管理等半導體相關工藝技術都為 VECSEL 的發展提供了有力的基礎支撐。

垂直外腔激光器(見圖 2)的高性能和靈活性特點使其非常適合定制化應用,其發展應該緊密結合應用,以平臺建設為主,兼顧多波長、多輸出特點的實用技術開發。一方面需要針對 VECSEL 本身的平臺化技術進行創新研發;另一方面,迫切需要進行面向具體應用的特定技術開發和擴展,如開發適用于特殊波長、高光束質量、窄線寬、寬調諧范圍等應用的高性能激光系統等。

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圖2 垂直外腔面發射激光器

(二)微納激光器

微納激光器通常指尺寸或模式尺寸接近或小于發射光波長的激光器。其結構小巧、閾值低、功耗低,在高速調制領域具有廣闊的應用前景,是未來集成光路、光存儲芯片和光子計算機領域的重要組成部分,同時被廣泛應用于生物芯片、激光醫療領域,并在可穿戴設備等領域內有著潛在的應用價值。

長春激光器廠家

最早的結構微小化半導體激光器是垂直腔面發射激光器,將激光器的尺寸降低到了幾十微米量級,并在通信、電子消費等領域獲得了廣泛的應用。由于尺寸的降低往往代表著閾值和功耗的降低,在過去的 50 年中,半導體激光器的體積已經減少了大約 5 個數量級。為了進一步減小體積獲得更高的性能,人們嘗試了各種方法來進行腔長的壓縮和諧振腔的設計,如使用回音壁模式的微盤激光器、使用金屬核殼結構的等離子激元激光器、基于法布里 –波羅腔的異質結二維材料激光器等。表 2 介紹了幾種不同類型的微納激光器特性比較。通過光學、表面等離子、二維材料等新興科學技術的引入,微納激光器目前已經實現了三維尺寸衍射極限的突破?;诒砻娴入x子激元介電模式的 SPASER 激光器,橫向尺度可以做到 260 nm 以下 [14],并可以實現電學泵浦?;谶^渡金屬二鹵化物(TMDC)的二維材料增益介質,可以保證在激光器體積小型化的前提下,提供比一般半導體量子阱材料高幾個量級的材料增益,并可以實現三維尺寸上的突破衍射極限 [15]。此外,量子點材料的引入,也為激光器增益性能的提高提供了新的思路。

表2 幾種不同類型的微納結構激光器特性比較

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注:LSP 即分層服務提供商;SPP 為表面等離子激元。

就各種微納激光器的發展程度來講,除 VCSEL 已經成功商用以外,其余類型的激光器在實際應用方面的道路依舊曲折,但微盤激光器的小尺寸,光子晶體激光器的低閾值和高速率,納米線激光器的靈活調控波長以及等離子激元激光器的均衡性能使其在各自的應用領域內有著廣泛的發展前景。

微納激光器在不同場合的應用,對于其性能要求有所不同,所適合的技術方案可能有很大差別。如在其最大的目標市場光通信和光信息處理領域,成品率、可靠性與壽命方面的要求使得電泵浦的基于微納加工的解決方案更為適合;而在生物醫療領域,在生物兼容性和尺寸方面的嚴格要求下,光泵浦和自組織的方案會更有競爭力。

微納激光器的發展需要強大的技術能力保證。除了微納加工技術以外,與之匹配的材料生長技術、器件制備工藝,甚至檢測封裝技術均需要進行針對性的開發,避免出現某項技術的缺位與短板,從而限制整個器件的性能水平。

(三) 拓撲絕緣體激光器

拓撲絕緣體激光器是半導體激光技術與凝聚態物理中 “拓撲絕緣體”概念的結合。利用拓撲結構中的邊緣態概念,這種激光器對器件內部結構的擾動和缺陷不敏感,易于實現高輸出功率、高魯棒性、模式穩定的激光。尤其在大功率激光器以及新興的納米光子激光器中,這種激光器對散射損耗和隨機制造缺陷不敏感的特點使其非常適用于高功率鎖模激光陣列和量子信息產生及傳輸等領域的應用。

盡管距離首次提出基于半導體拓撲結構的拓撲絕緣體激光器概念僅有兩年(2018 年首次提出 [16,17]),此類激光器優異的輸出穩定性和結構缺陷不敏感性已經引起了國內外很多研究人員的關注,并逐漸成為了相關學科的研究熱點。目前此類激光器大多以半導體微納拓撲結構為結構單元,通過拓撲結構形成的光場或電子限制來實現諧振功能,進而實現激光器的定向單模激射。表 3 給出了幾種不同類型的拓撲絕緣體激光器。以 2020 年北京大學實現的納米腔拓撲激光器為例 [18],這種激光器可以實現垂直發射的單模激光,出射方向可以通過器件拓撲結構進行調整,方向性高、體積小、閾值低、線寬窄,橫向和縱向模式都有很高的邊模抑制比。此外,利用拓撲對稱的概念和其他新型激光器的結合,國際上已經在理論上獲得了蜂窩對稱的等離子 – 光子(衍射)拓撲 SPASER [19],六邊形等離激元金屬納米殼核陣列 SPASER [20] 以及太赫茲緊湊型量子級聯拓撲激光器等 [21]。

表3 幾種基于拓撲態的拓撲絕緣體激光器

幾種新體制半導體激光器及相關產業的現狀、挑戰和思考

拓撲絕緣體激光器方面的發展仍處于物理概念提出和驗證階段。加強學科交叉,促進多學科、多領域合作,結合半導體激光器的特點,創新的理論研究和實驗驗證是當前的重點。

三、國內外半導體激光器產業發展現狀

半導體激光產業已經成為整個激光產業的基石,而激光產業也已經成為人類社會生活不可分割的一部分。據統計,2019 年全球激光器的銷售額預計將維持 6% 的增長速度,達到 146 億美元。其中半導體激光器的市場規模(包括直接的半導體激光器,也包括固體激光器與光纖激光器的泵浦源)約為 68.8 億美元,占激光器整體市場的 50% 左右,年增長率約為 15% [22]。

以現有產業結構來看,整個行業主要包括材料、芯片、器件、模塊、系統等幾個應用節點,但無論是上游的材料和芯片產業還是中下游的器件、模塊、系統產業無疑都是技術密集和資金密集型產業,需要大量的技術沉淀積累和巨額的資金投入。

經過數十年的發展,國外市場客戶對產品的成本控制、器件性能的要求越來越全面,對產品的篩選也越來越嚴格,近年來,受到這些因素的影響,行業的發展出現了一些新的趨勢。

從應用角度來講,半導體激光器產品正在從工業應用領域向消費應用領域擴展,其市場規??赡苡瓉肀l性的增長,但競爭也將進一步加劇。2018 年蘋果手機中采用 Lumentum 公司的垂直腔面發射激光器(VCSEL)作為傳感光源是這一趨勢的標志性事件。后者通過在消費電子產業的深耕,帶動和引導了市場的發展方向,利用創新的應用,在技術先進性不占優勢的情況下,改變了與 II-VI、Finisar 等公司的競爭格局。

從半導體激光器從業企業的角度看,其競爭態勢與 20 世紀 90 年代的微電子行業有一定的類似之處。都經歷了從中小型企業自由競爭,到通過合并重組產生的“巨無霸”型公司分割市場的競爭路線。如本來在產業界就占優勢地位的 Lumentum 與Oclaro 公司的合并以及 II-VI 與 Finisar 公司的重組,勢必對產業內其他中小型企業的生存現狀產生嚴重影響。

近年來新形式的半導體激光器公司也獲得了巨大發展,包括大型集成設計制造(IDM)公司,代工(Foundry)企業,無生產線(Fabless)公司等。

IDM 模式(垂直集成)公司,實際上是進行半導體激光器生產的應用系統公司,以半導體激光器產品為其核心競爭力,但并不以它為最終產品形態。以 IPG 光電子公司、相干激光公司(Coherent)等固體激光、光纖激光和激光加工企業為代表。他們大多通過并購或自行發展,在企業內部實現了從材料、芯片、器件、模塊、系統的完整集成。最早實現“垂直集成”的 IPG 公司據此奠定了在光纖激光器領域的絕對優勢地位,盡管有多余的生產能力,但半導體激光器甚至不作為產品出售。

Foundry 企業主要從事外延和芯片工藝方面的工作。外延方面包括英國 IQE、美國英特磊科技有限公司(IntelliEpi)、臺灣省全新光電、日本的住友化學。其中 IQE 所占據的整個外延芯片市場份額已達到 60%,與 VCSEL 應用相對應的市場份額已達到 80%。芯片工藝方面,臺灣省的穩懋、宏捷科、GCS 環宇占整個芯片代工市場 90% 的市場份額。這類公司具備強大的專項能力和成本控制水平,可以助力客戶實現良好的成本和性能控制。

Fabless 企業本身只從事半導體激光器設計和封裝測試等工作,而委托 Foundry 進行生產。這類企業以中小型為主,但有些大型企業也會以類似的方式將生產進行外包,甚至向 Fabless 企業轉換,從而降低整體運營成本。如 Lumentum 盡管本身具有垂直整合能力,但其 VCSEL 的設計和生產主要由IQE 和穩懋(WIN)代工完成;而 Avago 則將芯片工藝部分進行了剝離,將其位于科羅拉多的工廠出售給了臺灣地區的穩懋,而入股該公司,成為了該公司的第三大股東,生產也委托給穩懋進行。

通常來講,IDM 公司的半導體激光器在性能和可塑性上更具優勢;而通過 Foundry 與 Fabless 企業的組合可以將產品成本控制得更低。

從半導體激光器產業與上下游產業的關系來看,其產業帶動能力強、先發效應明顯,在產品中的性能比重遠大于其價格比重。半導體激光器是系統應用的核心競爭力,對器件的功能和可靠性的系統驗證又需要長時間、大樣本量的閉環優化,試錯成本高,形成了較高的“門檻”。在半導體激光器產業成熟的這一過程中,領先者與追趕者的差距被進一步拉大。這是我國相關行業發展初期所面臨的主要問題,尤其在中美貿易戰爆發以后,這一問題得到了更充分的暴露。

近年來國家有針對性地對核心芯片進行了大力扶持,在人才和技術儲備方面獲得了一定的基礎,先發效應的影響得到了一定程度的緩解,但各種措施的真正見效,仍然需要一個過程。

我國半導體激光器產業的發展,前弱后強的現象十分嚴重。在下游系統行業,已經涌現出如華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司等行業領導企業,光模塊企業也有蘇州旭創科技有限公司等先進企業可以在國際上與同行進行競爭。然而,在上游的光芯片環節,我國相關企業的研發和生產能力極為不足,材料方面則更甚,相關企業規模均以中小型為主,從實力上難以與國外產品競爭。盡管政府的管理和支持熱情很高,但由于非業內人員對芯片行業的認識不足,同質化嚴重,缺乏耐心和頂層設計,難以形成良好的產業鏈。整個產業處于有前景的產品無法獲得市場,市場資金不愿支持技術開發的惡性循環中。某些成功的系統企業認識到了這一問題,進行了垂直產業整合努力,但遇到了較大的困難,進展緩慢。

四、我國在半導體激光行業的發展需求

我國在半導體激光行業發展的首要需求是保障國家戰略安全。半導體激光器是光通信、激光傳感、激光加工、激光泵浦的核心元器件,還可以直接應用于激光雷達、激光測距、激光武器、導彈制導、光電對抗等領域。

建設完整的閉環產業鏈條,形成正反饋,通過市場應用,促進前端核心芯片的加速成熟,利用成熟的芯片技術,帶動新成果和新應用的落地是我國相關產業發展應該選擇的最佳路徑。

我國半導體激光器產業長期處于追趕階段,在某些領域實現引領是行業發展的迫切需求。從實際出發,針對新應用,開發新器件,占據“先發優勢”,是實現超越的有效途徑。

基于以上考慮,距市場真正成熟仍有一定發展距離的新體制激光器產業,無疑是解決這一矛盾的重要突破口。

首先,我國在新體制激光器的研發方面與國外的差距相對較小。受到近年來政策偏向的支持,我國在交叉學科融合以及新興半導體激光器領域已經有了長遠的發展。尤其在微納光學和微納激光領域,我國的科研人員通過國際合作參與或主持了許多世界頂尖的研究成果,如果能夠將這些成果進行產業化轉移,必定會為我國新體制半導體激光器產業的發展奠定良好的基礎。其次,新體制激光器涉及基礎物理領域。我國近年來重視基礎學科建設,為新體制激光器的發展提供了人才基礎和發展后勁。最后,在新體制激光器產業領域,國外的發展與我們一樣處于起步階段,通過國家的資金和政策支持,我國的新體制激光器發展將有能力在世界新體制激光器產業的發展中占有一席之地。

技術的積累和產業的發展不能一蹴而就,在看到希望的同時也要正視所遇到的困難。我國半導體激光器產業的發展仍然處于相對落后的狀態,無論是技術理論、人才儲備還是工藝流程和生產設備都遠遠落后于國外的先進企業。企業規模仍然以中小型民營企業為主,所生產的產品也主要面對中低端應用,無法實現本質上的產業變革。技術輸出仍然以單一技術或單一專利為基礎,無法形成完整的產業鏈發展,更無法建立完善的“產學研”結合體系。制造設備仍然以進口設備為主,強烈依賴于國外的技術輸出,無法實現真正的自主知識產權。所以,相關方向的政策扶植迫在眉睫。

五、對策建議

長春激光器廠家半導體激光產業是關系國計民生的基礎產業之一,半導體激光器產業的發展對我國在現代信息化社會的競爭中搶占先機具有重要意義。充分發揮我國在市場方面的優勢開發新應用,堅持自主的原則發展新技術,鼓勵新概念和學科交叉發展新理論,實現新體制的半導體激光器發展。新體制半導體激光器產業的競爭領域在國際范圍內仍有廣闊的疆土。結合我國的政策優勢、科技發展水平和人才儲備,在未來的 10~20 年我們有希望在新體制半導體激光器領域內培育出可以與世界領先激光產業巨頭相抗衡的優秀企業,為搶占戰略制高點,為半導體激光產業的進一步發展提供源動力。

首先,鑒于當前半導體激光器產業發展中的困難和挑戰, 我國在近期的首要任務是有選擇、有針對性地扶植適用于特種應用的半導體激光器的研制和生產,如針對高功率、窄線寬、特殊波長等應用,進行相關科研和技術攻關及企業技術轉移。充分評估國產器件性能,正視差距,努力提升,保證國家裝備安全。

其次,在民用領域,推動成本敏感的半導體激光器國產化替代,充分利用市場導向和企業自身動力,輔以地方政策引導扶植,注重相關產品的差異化,避免一窩蜂式發展是當前的重要目標。例如,相比電信應用,數據中心應用中光器件和模塊生命周期短、維護較方便,進入門檻相對較低;在激光加工系統中,半導體激光器成本占比高,中低功率材料加工企業具有較高的替代意愿,也是國產器件的突破口。在這一過程中,還可以進一步培育企業,培養人才。

最后,挖掘已有技術的應用潛力。對于成熟的或者將近成熟的一些半導體激光器,如新體制的垂直外腔面發射激光器等,從實際應用出發,進行開發或二次開發,推進技術的橫向拓展和領域交叉,針對新應用進行有針對性的技術提升,利用與系統和應用廠商的緊密聯系占據“先發優勢”。

在中長期,主要目標是實現高端半導體激光器的國產化和自主發展,需要國家層面更多的參與甚至主導,必要時可以采用政策扶植,資金和專項經費傾斜等手段。

(1)充分利用我國在應用端的巨大優勢,鼓勵IDM 模式公司或者公司群的建立??梢圆捎靡龑С闪⒍鄠€具有穩定合作關系的縱向企業集團的方式,實現器件開發和應用的反饋閉環,促進前端核心材料和器件的成熟。

(2) 下大力氣鼓勵和引導國產器件的應用。采用國家投資或補貼的方式,建立完整的國產化替代示范平臺,在實際應用條件下實現國產化核心器件評估;在此基礎上以政策傾斜、財政補貼等方式鼓勵國產器件應用。

(3)建立具有芯片代工廠功能的全自主的、完整的新技術開發通用平臺,以對技術水平要求高的新體制微納激光器為牽引,同時滿足無生產線企業的激光器制備需求,提升綜合能力。尤其要彌補短板,掌握核心技術和關鍵工藝,避免“卡脖子”問題,為新型半導體激光器的發展提供技術保障。

(4)鼓勵新概念、新器件,提前布局,掌握先發優勢。開展包括拓撲絕緣體激光器等新體制半導體激光器及其相應工藝的研究;鼓勵跨行業和前后端交流,在適當階段由新概念開發轉入針對具體應用的技術開發。

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