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本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》2018年第5期，版權(quán)歸《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》編輯部所有。作者李玉嬌，宗楠，彭欽軍，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所中國(guó)科學(xué)院固體激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)。

1 引言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、波長(zhǎng)范圍廣、易集成、可靠性高、可批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)，已成為光電子技術(shù)領(lǐng)域的重要器件。傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器已實(shí)現(xiàn)較大功率輸出，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差可達(dá)100 … 1，在某些應(yīng)用中須附加光束整形系統(tǒng)。

1979年，Soda等提出了垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的概念，與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器不同的是其激光出射方向垂直于襯底表面，可獲得圓形光斑。由于諧振腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)接近，動(dòng)態(tài)單模性比較好，有望在光通信、光互連、光存儲(chǔ)、激光顯示和照明等領(lǐng)域大展身手。目前，Princeton Optronics公司獲得了VCSEL單管連續(xù)輸出的最高功率為5.5 W?？墒牵捎赩CSEL的諧振腔是由頂部布拉格反射鏡（DBR）和底部布拉格反射鏡構(gòu)成，腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)同量級(jí)，導(dǎo)致器件發(fā)散角較大（半角寬度約15°）。為了獲得較小的發(fā)散角，一種垂直外腔面發(fā)射激光器（VECSEL）應(yīng)運(yùn)而生。由于采用外腔結(jié)構(gòu)，其腔長(zhǎng)由波長(zhǎng)量級(jí)增加到毫米至厘米量級(jí)，有效改善了光束質(zhì)量，理論極值達(dá)M2~1。

早期的垂直外腔面發(fā)射激光器依舊采用電抽運(yùn)（EP）方式，目前EP - VECSEL單管獲得了超過(guò)9 W的連續(xù)輸出。可是電抽運(yùn)VCSEL和VECSEL均因電流注入不均勻和串聯(lián)電阻熱堆積，在單橫模工作模式下高功率輸出受到限制。1997年，Kuznetsov等提出的光抽運(yùn)垂直外腔面發(fā)射激光器（OP - VECSEL），也有人稱為半導(dǎo)體盤片激光器（SDL）。其綜合了高光束質(zhì)量的垂直腔面發(fā)射激光器和高功率激光二極管抽運(yùn)的固體激光器的優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)獲得高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出，覆蓋從深紫外到中紅外波段的廣闊波段。在紫外及藍(lán)紫光波段，半導(dǎo)體增益介質(zhì)以InGaN - GaN材料體系為主，在GaN基底材料上生長(zhǎng)出多個(gè)InGaN量子阱。在紅光至近紅外波段，半導(dǎo)體增益介質(zhì)主要采用在GaAs襯底上生長(zhǎng)InGaP – AlGaInP、GaAs - AlGaAs、InGaAs - GaAsP及GaInNAs - GaAs量子阱。1.5 μm附近波段主要在InP襯底上生長(zhǎng)AlGaInAs - InP量子阱來(lái)實(shí)現(xiàn)，2~3 μm則通過(guò)在GaSb襯底上生長(zhǎng)GaInAsSb - GaSb材料系來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于更長(zhǎng)的4~5 μm波段，襯底材料多為BaF2，增益介質(zhì)材料為PbSe - PbEuTe或PbTe - PbEuTe體系。同時(shí)，得益于其外腔的存在，可以方便地進(jìn)行鎖模而獲得超短脈沖輸出；還可以實(shí)現(xiàn)高效率的激光腔內(nèi)頻—頻轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展了輸出波長(zhǎng)范圍。

另外，OP - VECSEL的獨(dú)到之處在于半導(dǎo)體增益芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)p - n結(jié)、無(wú)電接觸，極大地簡(jiǎn)化其生長(zhǎng)過(guò)程，在提高增益芯片可靠性的同時(shí)，消除附加電阻上的熱效應(yīng)；抽運(yùn)波長(zhǎng)可選擇性設(shè)計(jì)；可獲得百納米的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍；半導(dǎo)體增益芯片上抽運(yùn)光斑較大，高功率時(shí)產(chǎn)生光學(xué)損傷的可能性減??；激光器體積緊湊，攜帶方便，實(shí)用程度高。在實(shí)際應(yīng)用中，方便作為儀器儀表和顯微鏡的配套光源，目前，單管OP - VECSEL連續(xù)輸出功率已高達(dá)106 W。

本文介紹了VCSEL，EP - VECSEL和OP - VECSEL的原理和特性，并綜述了其最新研究進(jìn)展、主要應(yīng)用和發(fā)展前景。

2 基本原理

2.1 VCSEL

如圖1所示，典型的VCSEL包括頂發(fā)射和底發(fā)射兩種結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，早期典型器件是通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在N型GaAs襯底上生長(zhǎng)而成的。其主要由DBR作為激光腔鏡，量子阱有源區(qū)（MQWs）夾在n - DBR和p - DBR之間，由于量子阱厚度小，使單程增益很小，因此反射鏡的反射率較高，一般全反腔鏡反射率> 99.9%，輸出腔鏡反射率通過(guò)理論計(jì)算設(shè)定最佳的耦合輸出率（> 99%），然后，在襯底和p - DBR外表面制作金屬接觸層。通過(guò)在p - DBR或n - DBR上制作一個(gè)圓形出光窗口，獲得圓形光束，窗口直徑從幾微米到百微米量級(jí)，再和導(dǎo)熱性好的熱沉鍵合，提高芯片的散熱性能。由于GaAs襯底對(duì)800 nm附近的光有強(qiáng)吸收，所以在這個(gè)波段的器件通常采取頂發(fā)射結(jié)構(gòu)。底發(fā)射結(jié)構(gòu)可用于產(chǎn)生976 nm和1064 nm波段，為了減少襯底的吸收損耗，通常將襯底減薄到150 μm以下，再生長(zhǎng)一層增透膜，提高激光光束質(zhì)量，最后將增益芯片安裝在熱沉上，離有源區(qū)更近，因此散熱性更好。

圖1 VCSEL結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。（a）頂發(fā)射結(jié)構(gòu)；（b）底發(fā)射結(jié)構(gòu)

2.2 EP - VECSEL

EP - VECSEL的芯片包括電注入結(jié)構(gòu)、有源區(qū)和DBR，與傳統(tǒng)的VCSEL相比，其引入的外腔結(jié)構(gòu)增加了腔長(zhǎng)，如圖2所示。諧振腔包括p - DBR、n - DBR以及外腔鏡等3個(gè)鏡面，是一種由兩個(gè)子諧振腔構(gòu)成的耦合諧振腔。激光器芯片上生長(zhǎng)的p - DBR、n - DBR以及夾在其中的有源區(qū)組成的諧振腔為有源腔，提供激射所需的增益；由p - DBR及外腔鏡組成的諧振腔可以通過(guò)控制不同傳輸模式的損耗，抑制高階橫模，從而改善光束質(zhì)量。

圖2 EP - VECSEL器件結(jié)構(gòu)圖

2.3 OP - VECSEL

OP - VECSEL與EP - VECSEL相比，減少了電流注入部分，其結(jié)構(gòu)主要包括熱沉、增益芯片、外腔輸出鏡（OC）、抽運(yùn)光。抽運(yùn)方式通常有兩種：端面抽運(yùn)和背端抽運(yùn)；圖3為端面抽運(yùn)的OP - VECSEL結(jié)構(gòu)，抽運(yùn)光反向注入且與輸出光成一定夾角（一般約為45°）聚焦到增益芯片上，如果角度太大會(huì)導(dǎo)致抽運(yùn)光斑形狀不均勻，而角度太小可能阻擋激光振蕩。其增益芯片為頂發(fā)射結(jié)構(gòu)，主要分為4個(gè)部分：襯底、DBR、MQWs增益區(qū)和窗口層，可在襯底上通過(guò)分子束外延技術(shù)（MBE）或者金屬化學(xué)物有機(jī)氣相沉積（MOCVD）逐層生長(zhǎng)而成。考慮激光器的散熱問(wèn)題，通常把激光器芯片的頂層與熱導(dǎo)率高的導(dǎo)熱片鍵合后使用，如光學(xué)金剛石片、光學(xué)SiC片或藍(lán)寶石片等。

圖3 OP - VECSEL端面抽運(yùn)裝置圖

圖4為背端抽運(yùn)的OP - VECSEL及其增益芯片的結(jié)構(gòu)，與端面抽運(yùn)不同，其抽運(yùn)光從后腔鏡入射與輸出光同軸同向。盡管抽運(yùn)光斑不大，但可獲得更加均勻的圓形抽運(yùn)光斑，并且抽運(yùn)光耦合系統(tǒng)相對(duì)容易架設(shè)，結(jié)構(gòu)緊湊，更有利于激光的集成與封裝。其增益芯片為底發(fā)射結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)順序與頂發(fā)射不同，先在襯底上生長(zhǎng)窗口層，再生長(zhǎng)MQWs，最后生長(zhǎng)DBR。再將DBR焊接到金剛石或SiC散熱片上。另外，由于抽運(yùn)光通過(guò)DBR后才進(jìn)入增益區(qū)，因此要盡量使DBR對(duì)抽運(yùn)光透明，對(duì)激光波長(zhǎng)有高反射。

圖4 OP - VECSEL背端抽運(yùn)裝置圖

3 研究進(jìn)展

3.1 VCSEL

近紅外波段的研究較多也較為成熟，其中808 nm波段主要集中在高功率陣列輸出方面。長(zhǎng)期以來(lái)，Princeton Optronics公司致力于該方面的研究，并于2013年獲得了目前最高輸出功率的808 nm VCSEL陣列，應(yīng)用于高速成像的高功率照明模塊，其輸出功率高達(dá)4800 W，可以在準(zhǔn)連續(xù)條件下工作。

850 nm VCSEL陣列輸出功率已經(jīng)達(dá)到4 W。2015年，Watkins等報(bào)道了850 nm單管VCSEL的單頻激光輸出超過(guò)100 mW，為目前850 nm最高的單管輸出功率，據(jù)悉，該小組正在努力研制該波段輸出功率5 W的單管器件。

980 nm波段VCSEL的研究最為成熟。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，D′Asaro等獲得的3 W 980 nm VCSEL一直是電抽運(yùn)VCSEL單管輸出的最高功率。2015年他們獲得了發(fā)射波長(zhǎng)為976 nm的高功率電抽運(yùn)VCSEL，在20 ℃連續(xù)工作條件下，功率達(dá)到5.5 W，刷新了單管VCSEL的最高功率。顯然，陣列是提高輸出功率的有效途徑。2012年，Princeton Optronics公司推出的980 nm高功率VCSEL面陣和面陣組合模塊產(chǎn)品，面陣組合模塊連續(xù)輸出超過(guò)14 kW，為目前980 nm陣列輸出的最高功率。

1 μm波段自Hou等率先在室溫下獲得1060 nm連續(xù)輸出連續(xù)輸出后發(fā)展迅速。Zhou等通過(guò)優(yōu)化DBR和增益區(qū)的設(shè)計(jì)，獲得了目前VCSEL單管63.4%的最高轉(zhuǎn)換效率，高于Kageyama等獲得的62%的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，他們用于照明領(lǐng)域的1064 nm照明器，由8 x 16 kW的模塊組成，輸出功率高達(dá)100 kW。

1310 nm和1550 nm波段的VCSEL器件一般由InP和GaAs基材料體系來(lái)實(shí)現(xiàn)。Boehm等制作的1.3~2.0 μm AlGaInAs / InP系VCSEL，為了降低熱效應(yīng)，頂部反射鏡由基于InP的化合物半導(dǎo)體組成，在MBE結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)的掩埋隧道結(jié)提供了自調(diào)節(jié)的橫向電和光限制以及穩(wěn)定的低電串聯(lián)電阻。1.315 μm器件室溫下的單模最大輸出功率為0.43 mW，多模連續(xù)工作的最大輸出功率為7 mW。Klem等在摻Si的GaAs襯底上生長(zhǎng)InGaAsN增益材料并通過(guò)增大電流注入孔徑和隧道結(jié)的形式在室溫下獲得了1300 nm的連續(xù)輸出，最大輸出功率為2.1 mW，可操作最高溫度為105 ℃。Nishida等把DBR和量子阱之間的AlGaAs空間層替換為i - GaAs隔離層，以此阻止Al擴(kuò)散到量子阱中降低表面質(zhì)量和量子阱的光致發(fā)光（PL）密度，獲得了4.2 mW的1261.5 nm輸出。Michalzik將Sb加入到GaInNAs材料中，得到的GaInNAsSb可輸出波長(zhǎng)為1530 nm，連續(xù)輸出功率為2 μW。

可見(jiàn)光波段的紫光和藍(lán)綠光主要通過(guò)GaN基材料直接激發(fā)，主要難點(diǎn)是短波長(zhǎng)高反射率DBR的生長(zhǎng)、有效的電流注入以及熱管理。目前，420 nm紫光已經(jīng)獲得了0.6 mW的輸出功率。使用高反射率的全電介質(zhì)DBR的GaN基VCSEL已經(jīng)獲得了0.7 mW的451 nm藍(lán)光和0.8 mW的503 nm綠光，其輸出功率較低。Hamaguchi等考慮到n型GaN襯底的熱導(dǎo)率高于傳統(tǒng)使用的藍(lán)寶石或Si襯底，加之外延橫向過(guò)生長(zhǎng)（ELO）方法可以精確控制腔體長(zhǎng)度和形成高反射率電介質(zhì)DBR，通過(guò)兩者結(jié)合在GaN基VCSEL中獲得了1.165 mW的453 nm激光輸出，為目前電抽運(yùn)藍(lán)光VCSEL輸出的最高功率。

紅光VCSEL也在熱管理上遇到了很大的挑戰(zhàn)。較高的發(fā)射能量將DBR AlxGa1-xAs的x的組成范圍限制在0.5~1.0，限制了反射鏡中可用的折射率范圍，反過(guò)來(lái)又需要更多的DBR層數(shù)以實(shí)現(xiàn)所需的反射率，較多的DBR層數(shù)會(huì)產(chǎn)生較高的電流阻抗，而較高的熱阻會(huì)加重器件的熱效應(yīng)。Johnson等在室溫下獲得了多模673 nm的AlGaInP VCSEL最大輸出功率達(dá)到11.54 mW，轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.9%，為目前紅光波段單管輸出的最高水平。為了提高輸出功率，Seurin等將GaAs襯底去除并將芯片焊接在高導(dǎo)熱性基座上，制造高功率二維陣列，如2 mm x 2 mm的688 nm VCSEL陣列在室溫下獲得了3 W的連續(xù)輸出功率，而4 mm x 4 mm的650 nm和688 nm VCSEL陣列在準(zhǔn)連續(xù)（QCW）運(yùn)轉(zhuǎn)中分別獲得了17和55 W的輸出功率。

3.2 EP - VECSEL

EP - VECSEL是VCSEL向OP - VECSEL發(fā)展的過(guò)渡產(chǎn)物，其研究主要集中在最初的近紅外波段（850~1550 nm），同時(shí)可以基于腔內(nèi)倍頻有效地在可見(jiàn)光區(qū)域產(chǎn)生激光輻射，易于設(shè)計(jì)為具有多個(gè)激光元件的二維陣列，大幅提高了輸出功率。因此，EP - VECSEL適合批量生產(chǎn)，大大降低了制造成本。

近紅外波段的研究已有較多相關(guān)報(bào)道。Leeuwen等研制的980 nm EP - VECSEL產(chǎn)品，外腔鏡使用雙凸透鏡與平面鏡構(gòu)成擴(kuò)展腔結(jié)構(gòu)，單管器件的基模和多模連續(xù)輸出功率分別為365 mW和1 W，在15 ns、1 kHz的脈沖工作條件下，基橫模峰值輸出功率達(dá)到4 W。Princeton Optronics公司亦研制出包含475個(gè)發(fā)光單元的980 nm EP - VECSEL列陣器件，連續(xù)及脈沖工作時(shí)基模輸出功率分別達(dá)到42 W和155 W，成為EP - VECSEL基橫模輸出的最高水平。1.06 μm波長(zhǎng)獲得了EP - VECSEL單管最高的輸出功率，Zhao等使用MOCVD在n型GaAs襯底上生長(zhǎng)芯片材料，為了減小吸收，襯底摻雜濃度很低（< 2 x 1017 cm-3）。增益區(qū)由InGaAs / GaAs組成，DBR由GaAs / AlGaAs組成，該器件輸出功率達(dá)9.04 W。

2004年，Kurdi等首次報(bào)道了InGaAsP EP - VECSEL室溫輸出1550 nm激光，該口徑為50 μm的InP基VECSEL連續(xù)輸出功率為0.3 mW，準(zhǔn)連續(xù)條件下輸出達(dá)2.76 mW。利用掩埋隧道結(jié)型和離子注入結(jié)型控制電流均勻性，獲得了1550 nm的3 mW脈沖輸出和0.5 mW單橫模輸出。2010年，Harkonen等利用掩埋隧道結(jié)型在GaInAsSb VECSEL中獲得了2.34 μm脈沖光輸出，設(shè)計(jì)了30~90 μm口徑的器件，并在90 μm口徑的器件中獲得最高的脈沖峰值功率為1.5 mW。

3.3 OP - VECSEL

在紅外波段，850 nm激光常采用量子阱內(nèi)抽運(yùn)方式以提高量子效率，減小熱效應(yīng)。其中，Zhang等使用806 nm光纖耦合激光二極管抽運(yùn)GaAs / AlGaAs VECSEL，得到最大功率1.02 W的855 nm輸出。Beyertt等使用833 nm抽運(yùn)光阱內(nèi)抽運(yùn)獲得了865 nm的1.6 W的激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率高至50%。美國(guó)相干公司研制的InGaAs / GaAs VECSEL，獲得了30 W的980 nm和19 W的920 nm的連續(xù)多模輸出，為目前980 nm單管OP - VECSEL獲得的最高功率。960 nm基模激光也獲得了數(shù)十瓦的功率輸出。Rudin等報(bào)道了20.2 W輸出的InGaAs/ GaAs VECSEL，其DBR對(duì)激光反射率R為99.95%，同時(shí)對(duì)抽運(yùn)光反射率為97%，使抽運(yùn)光得以兩次通過(guò)增益區(qū)，吸收可達(dá)85%。使用808 nm激光器45°入射抽運(yùn)，斜效率為49%，光光轉(zhuǎn)換效率為43%，光束質(zhì)量因子M2 ≈ 1.1，這是目前OP - VECSEL單管基模輸出的最高功率。

目前1 μm波段研究最為成熟。Lee等在背端抽運(yùn)OP - VECSEL中利用液體毛細(xì)管綁定散熱窗口獲得了9.1 W的1079 nm連續(xù)輸出，這是背端抽運(yùn)獲得的最高輸出功率。Heinen等利用熱電制冷器控制溫度，提高芯片和基底的鍵合質(zhì)量，利用金剛石作為散熱片，在3 ℃時(shí)獲得了106 W的1028 nm連續(xù)InGaAsOP - VECSEL多模激光輸出，這是目前單管最高輸出功率，在輸出功率為99.6 W時(shí)，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)45%。Zhang等利用腔內(nèi)的雙折射濾波片和5%的輸出耦合鏡，獲得了23.6 W的1013 nm單頻輸出，為目前單頻輸出的最高功率。在更長(zhǎng)的1160~1200 nm波段，由于InGaAs / GaAs中In的組分更高，晶格應(yīng)變更嚴(yán)重，Kantola等在InGaAs / GaAs量子阱中生長(zhǎng)了GaAsP應(yīng)力補(bǔ)償層，在熱沉-15 ℃下獲得了50 W的1180 nm輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為28%。2017年，Leinonen等在AlGaInAsOP - VECSEL中利用特制的金反射鏡將未吸收的光再次反射進(jìn)增益區(qū)，增強(qiáng)吸收，在熱沉-5 ℃下獲得了33 W的1275 nm激光輸出。

Lyytikainen等和Rantamaki等合作進(jìn)行了1.3~1.55 μm的研究，先后獲得了2.7 W的1.3 μm輸出、2.6 W的1.57 μm輸出和1 W的1.56 μm單頻輸出，以及5 W的1.48 μm激光輸出。2014年他們?cè)O(shè)計(jì)了腔內(nèi)金剛石散熱芯片結(jié)構(gòu)，并利用980 nm抽運(yùn)AlGaInAs / InP結(jié)構(gòu)，獲得1300 nm出光功率為7.1 W，且M2< 1.25，為該波段輸出的最高功率。

2~5 μm中紅外波段已經(jīng)獲得數(shù)十瓦級(jí)輸出。Hopkins等在AlGaIn / AsSb VECSEL中獲得了5 W的2 μm激光輸出，利用雙折射濾波片可調(diào)諧波長(zhǎng)范圍為80 nm。2015年，Holl等利用1470 nm低量子虧損抽運(yùn)并結(jié)合前后散熱熱沉，在0 ℃條件下獲得了2 μm激光的最高輸出，功率達(dá)20 W，之后換用金剛石散熱片在室溫下獲得了17 W的激光輸出。Ishida等使用1.55 μm光纖激光抽運(yùn)PbSrS / PbS和PbTe / CdTe VECSEL，通過(guò)控制溫度，分別獲得了2.65~3 μm和3.3~4.2 μm的激光輸出，最高功率分別達(dá)2 W和700 mW。而在BaF2襯底上生長(zhǎng)PbTe / PbEuTe增益區(qū)并使用Al作為散熱片，亦獲得了300 mW的5 μm波長(zhǎng)輸出。

在可見(jiàn)光波段，同GaN - VCSEL，直接激發(fā)材料獲得紫光以及藍(lán)光的主要難點(diǎn)集中在生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)的DBR結(jié)構(gòu)、合適的抽運(yùn)源、腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及高效的熱管理。Debusmann等利用375 nm染料激光器抽運(yùn)InGaN OP - VECSEL，獲得415 nm藍(lán)光，單脈沖能量為60 nJ，相應(yīng)峰值功率22 W。2015年，Baumg?rtner等在熱沉溫度-15 ℃條件下，于GaInP / AlGaInP OP - VECSEL中獲得了1.6 W的665.5 nm連續(xù)紅光，2016年，利用多程量子阱抽運(yùn)，將功率提高到2.5 W，這是目前紅光OP - VECSEL的最高輸出功率。

在紫外波段，直接從GaN基VECSEL中獲得紫外光輸出仍是一個(gè)亟待突破的難題。2000年，Zhou等利用三倍頻鎖模355 nm Nd … YAG激光器為抽運(yùn)源，采用GaN / AlGaN和SiO2 / HfO2DBR形成諧振腔，獲得了室溫準(zhǔn)連續(xù)條件下InGaN / GaN VECSEL的383 nm的紫外光，輸出功率為3 mW。

綜上所述，面發(fā)射半導(dǎo)體激光器通過(guò)直接激發(fā)已可使輸出波長(zhǎng)覆蓋從深紫外到數(shù)微米紅外的波長(zhǎng)范圍。其中1 μm波段研究較為成熟，在該波段VCSEL單管最高輸出功率達(dá)5.5 W，陣列輸出功率達(dá)100 kW；EP- VECSEL單管最高輸出功率超過(guò)9 W，陣列輸出達(dá)42 W；OP - VECSEL單管最高輸出功率106 W，單頻最高輸出功率23.6 W。另外，其突出的高轉(zhuǎn)換效率也為面發(fā)射半導(dǎo)體增彩不少，VCSEL的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)63.4%。OP - VECSEL轉(zhuǎn)換效率也高達(dá)50%。

4 應(yīng)用

通過(guò)激光技術(shù)可以擴(kuò)展面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用，將其優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到極致。利用偏硼酸鋇（BBO）、三硼酸鋰（LBO）、磷酸氧鈦鉀（KTP）等非線性晶體進(jìn)行變頻可得到更短波長(zhǎng)的激光輸出，進(jìn)一步擴(kuò)展波長(zhǎng)范圍；半導(dǎo)體增益片具有數(shù)十納米的增益帶寬，擴(kuò)展腔結(jié)構(gòu)亦可方便地插入濾波元件和調(diào)諧元件，獲得單頻和可調(diào)諧激光輸出；半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）被動(dòng)鎖模和克爾透鏡鎖?？梢垣@得飛秒級(jí)超短脈沖，同時(shí)具有高重復(fù)頻率，這些技術(shù)使面發(fā)射激光器有更為廣闊的應(yīng)用前景。

紅外波段的808和980 nm著重于高功率面陣的研究，用于抽運(yùn)摻鉺的光纖放大器和端面抽運(yùn)Nd … YAG、Nd … YVO4等固體激光器以及紅外照明、成像等應(yīng)用。另外，Watkins等研制的單頻窄線寬780、795和850 nm VCSEL可用于原子鐘及其相關(guān)領(lǐng)域，如基于原子鐘新型傳感器等。980 nm EP - VECSEL使用SESAM被動(dòng)鎖模已經(jīng)獲得了2.5 ps脈寬的激光輸出，其平均功率為53.2 mW、峰值功率為4.73 W、重復(fù)頻率為18.2 GHz，均為目前EP - VECSEL鎖模的最高水平。980 nm OP - VECSEL利用InGaAs增益芯片的克爾透鏡效應(yīng)鎖模得到了脈寬為930 fs、重復(fù)頻率為210 MHz和峰值功率為6.8 kW的激光輸出，為目前OP - VECSEL超短脈沖最高的峰值功率，可應(yīng)用于光通信和光時(shí)鐘領(lǐng)域。

1 μm激光的超短脈沖，通過(guò)SESAM鎖模脈沖寬度已經(jīng)縮短至60 fs，重復(fù)頻率高達(dá)175 GHz，平均功率提高到6.4 W，峰值功率亦提高到4.35 kW。使用碳納米管可飽和吸收鏡（GSAM）鎖模，Husaini等獲得了脈寬為353 fs、脈沖能量為2.8 nJ、平均功率為10 W的1030 nm輸出，為目前超短脈沖最高的平均功率。在高速計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)量學(xué)等領(lǐng)域、光時(shí)鐘、頻率轉(zhuǎn)換、高速電光采樣、時(shí)間分辨光譜學(xué)等占有一席之地。近幾年，M Squared Laser公司成功地實(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)范圍920~1050 nm的鎖模VECSEL的商業(yè)化應(yīng)用，為日漸興起的非線性顯微鏡市場(chǎng)提供了一種低成本、易操作的激光光源。2016年，Lubeigt等再次實(shí)現(xiàn)了脈沖130 fs以下，重復(fù)頻率為200 MHz、平均功率為0.85 W的鎖模OP - VECSEL，有望代替鈦寶石超快激光器在非線性領(lǐng)域的應(yīng)用。2017年，Scheller等報(bào)道了產(chǎn)生1012和1015 nm的雙波長(zhǎng)OP - VECSEL，可用于差頻產(chǎn)生太赫茲光源。圖5是常用的2種SESAM被動(dòng)鎖模腔型，激光的一個(gè)端鏡為耦合輸出鏡，另外一個(gè)端鏡是被動(dòng)鎖模元件SESAM。圖5（a）所示的V型腔通過(guò)移動(dòng)耦合輸出鏡和SESAM的位置改變?cè)鲆娼橘|(zhì)和SESAM上激光模式大小的比例，獲得可調(diào)節(jié)的脈寬輸出，圖5（b）所示的Z型腔則具有更穩(wěn)定的鎖模輸出。

圖5 OP – VECSEL SESAM被動(dòng)鎖模示意圖。（a）V型腔；（b）Z型腔

近紅外波段中有三個(gè)石英光纖的低損窗口，850 nm是第一個(gè)低損窗口，主要用于短距離的高速數(shù)據(jù)通訊和光互連；1330 nm是第二個(gè)低損窗口；而1550 nm是第三個(gè)低損窗口，也是損耗最低的一個(gè)窗口。因此，1310 nm和1550 nm VCSEL分別用于中距離和遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)通訊和光互連、光并行處理、光識(shí)別系統(tǒng)等。目前，850 nm VCSEL設(shè)備的傳輸速度可達(dá)160 Gb·s-1。1.3 μm VCSEL設(shè)備的傳輸速度可達(dá)到25 Gb·s-1，1.5 μm VCSEL設(shè)備的傳輸速度可達(dá)56 Gb·s-1。2011年，Gierl等利用微機(jī)械技術(shù)（MEMS）進(jìn)行調(diào)諧首次報(bào)道了1550 nm波段可調(diào)諧范圍>100 nm的單模輸出，刷新了之前1550 nm最寬可調(diào)諧范圍65 nm的記錄。2012年，Jayaraman等報(bào)道了在InP1310 nm VCSEL中利用MEMS技術(shù)獲得了150 nm的連續(xù)可調(diào)范圍，該器件在其整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)掃描速度高達(dá)500 kHz，可用做光學(xué)相干斷層掃描和高速瞬態(tài)光譜掃描的光源。

1.68 μm與1.80 μm波長(zhǎng)和2~2.5 μm波段主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。前者可分別用于甲烷和水的氣體檢測(cè)。后者對(duì)大氣中的污染物，如CH4、CO、NO2H2等有強(qiáng)烈的吸收譜線，可用于天然氣探測(cè)和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，但是CO2和H2O對(duì)其吸收率很低，因此可以對(duì)樣品進(jìn)行光譜分析從而確定其成分組成。2009年，Harkonen使用980 nm光源采用典型的V型腔結(jié)構(gòu)抽運(yùn)GaSb VECSEL，獲得了4 W的2 μm激光輸出，并使用腔內(nèi)雙折射濾光片實(shí)現(xiàn)了156 nm可調(diào)諧范圍。這是OP - VECSEL可獲得的最寬的調(diào)諧范圍。Solus Technologies公司開(kāi)發(fā)了一種中紅外1.9~2.5 μm波長(zhǎng)范圍窄線寬激光源，適用于氣體傳感器和分子光譜學(xué)。2.5~5 μm中紅外波段可基于分子振動(dòng)的模式作氣體痕量分析，因此可以用于環(huán)境檢測(cè)、高速排氣分析、化學(xué)反應(yīng)控制等領(lǐng)域。

可見(jiàn)光波段激光可用于激光顯示、激光照明、激光高密度存儲(chǔ)和激光打印等領(lǐng)域。由于直接從材料中激發(fā)獲得高功率輸出不易，更多的通過(guò)外腔變頻方法獲得。EP - VECSEL利用PPLN晶體倍頻獲得了4.7 W的531 nm綠光輸出。美國(guó)相干公司在InGaAs / GaAs OP - VECSEL中通過(guò)LBO晶體腔內(nèi)倍頻得到15 W的488 nm和5 W的460 nm倍頻藍(lán)光輸出，是目前報(bào)道的藍(lán)光最高輸出功率。和傳統(tǒng)的780 nm半導(dǎo)體激光器相比，倍頻藍(lán)光VECSEL具有波長(zhǎng)短和光束質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，使聚焦光斑更小，可有效提高存儲(chǔ)密度，從而提高存儲(chǔ)的容量。另外，488 nm激光器還可用于流式細(xì)胞計(jì)來(lái)提高人類疾病的診斷準(zhǔn)確率。2007年，Hunziker等使用LBO倍頻研制的綠光OP - VECSEL，基模綠光最大輸出11.5 W。為了提高功率他們使用兩片芯片，成功獲得了24 W的531 nm輸出。隨后，采用三個(gè)InGaAs / GaAs VECSEL芯片在腔內(nèi)進(jìn)行串接及腔內(nèi)倍頻的方式，獲得了532 nm綠光基模輸出達(dá)55 W，高階模輸出達(dá)66 W，這是目前綠光輸出的最高功率。該公司還利用OP - VECSEL腔內(nèi)倍頻后得到的藍(lán)光和綠光，與二極管激光器提供的紅光相結(jié)合，構(gòu)成三基色光源，成功用于激光顯示，該光源體積小、成本低、集成度高，是激光顯示領(lǐng)域很有競(jìng)爭(zhēng)力的光源。基于530 nm綠光OP - VECSEL的小型犯罪偵查成像系統(tǒng)，可以有效減小相機(jī)的光圈，從而獲得足夠大的景深，可用于檢測(cè)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的指紋、痕跡等證據(jù)。

Rautiainen等在利用1 μm波段倍頻獲得黃紅光（580~620 nm）方面進(jìn)行研究，獲得了目前最高連續(xù)輸出功率的黃光和紅光。在研究中發(fā)現(xiàn)，GaInAs中摻入N可以有效的減少GaInAs的晶格應(yīng)力，獲得1.1~1.5 μm波段的激光輸出，以便于倍頻獲得黃紅光。而利用LBO晶體倍頻獲得了20 W連續(xù)588 nm輸出，為目前黃光輸出的最高功率，展示了黃光VECSEL在醫(yī)療領(lǐng)域的巨大潛力，可為視網(wǎng)膜病變等眼科疾病提供有效的治療。另外，Hessenius等利用標(biāo)準(zhǔn)具調(diào)諧和LBO晶體倍頻獲得了可調(diào)諧單頻黃光輸出，調(diào)諧波長(zhǎng)可覆蓋鈉D2線（588.991 nm）和D1線（589.595 nm），是鈉導(dǎo)星優(yōu)質(zhì)光源。2015年，Kantola等通過(guò)控制0.5%摻N量獲得了1230 nm激光輸出，并通過(guò)LBO倍頻獲得了10.5 W的615 nm連續(xù)激光輸出，這是目前通過(guò)倍頻可獲得紅光的最高功率。在測(cè)量和非接觸檢測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域憑借良好的光束質(zhì)量，可簡(jiǎn)化準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，提高分辨率。與適當(dāng)染料耦合，是共焦顯微鏡在生物觀測(cè)領(lǐng)域的潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

紫外波段在生物醫(yī)學(xué)、原子捕獲、光譜學(xué)、激光光刻、激光高密度存儲(chǔ)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。目前，由紅光倍頻獲得紫外光已獲得數(shù)百毫瓦的功率輸出。2015年，Baumg?rtner等在應(yīng)力補(bǔ)償研制的紅光OP - VECSEL中，利用BBO晶體倍頻獲得了429 mW的331.6 nm紫外光輸出。而Mateo等利用多程量子阱抽運(yùn)OP - VECSEL產(chǎn)生的665 nm紅光倍頻，獲得了820 mW的333 nm紫外光輸出，這是目前紫外波段可達(dá)到的最高功率。2017年，Yakshin等在InGaAs VECSEL獲得了936 nm的基頻光輸出，通過(guò)四次倍頻獲得190 mW的234 nm的深紫外輸出，是目前可獲得的最短波長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，面發(fā)射半導(dǎo)體激光器技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著成果，其未來(lái)發(fā)展有以下方面：1）更高輸出功率；2）擴(kuò)展輸出波長(zhǎng)；3）高度集成化。

可以通過(guò)4個(gè)方面提高功率輸出：1）增加抽運(yùn)尺寸，同時(shí)控制腔內(nèi)的放大自發(fā)發(fā)射，減少增益損耗。2）進(jìn)一步改善熱管理，如使用導(dǎo)熱性高的金剛石散熱片和熱沉，利用脈沖抽運(yùn)，設(shè)計(jì)和制造雙散熱結(jié)構(gòu)，低熱阻半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)等等。通過(guò)以上方法，VCSEL和OP - VECSEL單管輸出功率有望增加到數(shù)十瓦和數(shù)百瓦水平并保持優(yōu)良的光束質(zhì)量。3）使用多個(gè)增益芯片（目前最多有三個(gè)芯片），同時(shí)增加增益芯片面積。4）激光合束，可通過(guò)相干合束和非相干合束來(lái)獲得，同時(shí)可保持優(yōu)異的光束質(zhì)量。

擴(kuò)展波長(zhǎng)可通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：1）使用現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料系統(tǒng)，找到合適的抽運(yùn)源和抽運(yùn)方式獲得新波長(zhǎng)，如GaN材料系統(tǒng)直接激發(fā)的藍(lán)光，若能同時(shí)具有高功率和良好的光束質(zhì)量將獲得諸多應(yīng)用。然而，合適的抽運(yùn)光源并不容易獲得。2）通過(guò)使用新型材料系統(tǒng)或新型非線性光學(xué)技術(shù)獲得新的波長(zhǎng)。各種非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換可擴(kuò)大波長(zhǎng)的范圍：腔內(nèi)倍頻、三倍和四倍、和頻產(chǎn)生，雙波長(zhǎng)激光器差頻產(chǎn)生等，將波長(zhǎng)擴(kuò)展到200 nm以下的深紫外和5 μm以上的中紅外波段，以此來(lái)填補(bǔ)現(xiàn)有波長(zhǎng)的空白區(qū)域。

高度集成化是指在一個(gè)半導(dǎo)體襯底上整合多個(gè)功能塊。例如抽運(yùn)源、可飽和吸收鏡等器件，抽運(yùn)源與VECSEL增益結(jié)構(gòu)的集成已有相關(guān)報(bào)道。這種集成抽運(yùn)的VECSEL可降低器件組裝難度，易于制造大功率激光器，從而降低設(shè)備成本并擴(kuò)大激光器的潛在市場(chǎng)。功能組件集成的另一個(gè)例子是鎖模集成外腔面發(fā)射激光器，其中增益區(qū)和可飽和吸收區(qū)域集成在襯底上。通過(guò)這些方式，可以產(chǎn)生更加簡(jiǎn)單、緊湊、易于制造和便宜的設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)更好的性能和新穎的功能。未來(lái)發(fā)展功能集成可以幫助VECSEL在商業(yè)上得到更廣泛的應(yīng)用，特別是在低成本和大批量應(yīng)用中，如移動(dòng)投影顯示器等領(lǐng)域。

總而言之，面發(fā)射半導(dǎo)體激光器正通過(guò)技術(shù)推動(dòng)和市場(chǎng)拉動(dòng)擴(kuò)大其影響力。現(xiàn)有和正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在市場(chǎng)推動(dòng)下將刺激新商業(yè)的出現(xiàn)，例如數(shù)瓦級(jí)紅、綠和藍(lán)VECSEL用于激光投影儀。近期，蘋果公司宣布iPhone 8即將采用VCSEL為其新的后置3D成像系統(tǒng)提供光源，可更快的實(shí)現(xiàn)攝像頭對(duì)焦。此外，還能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的深度映射，從而有助于在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的應(yīng)用。緊湊、高效和高性能的可定制波長(zhǎng)的激光器將會(huì)擴(kuò)大現(xiàn)有商業(yè)應(yīng)用中的使用，VCSEL將會(huì)在某些應(yīng)用領(lǐng)域替代現(xiàn)有激光技術(shù)。如可輸出藍(lán)光和綠光的Ar離子氣體激光器，在過(guò)去是共焦熒光顯微鏡和抽運(yùn)鈦寶石的唯一激光源，后來(lái)在很大程度上被全固態(tài)激光器取代，而由于VCSEL波長(zhǎng)可調(diào)諧、功率高、光束質(zhì)量高，加之器件結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、可靠性高，逐漸取代固態(tài)激光器。VCSEL將在新型科學(xué)應(yīng)用（如分子光譜學(xué)、激光陀螺儀、微波光子學(xué)和原子鐘等）得到更加廣泛地應(yīng)用。

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垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的特性及其研究現(xiàn)狀