引言

根據諧振腔制造工藝的不同，半導體激光芯片分為邊發射激光芯片（EEL）和垂直腔面發射激光芯片（VCSEL）兩大類，其具體結構差異如圖1所示。相比于垂直腔面發射激光器，邊發射半導體激光器的技術發展更為成熟，具有波長范圍廣、電光轉換效率高、功率大等優勢，非常適用于激光加工、光通信等領域。目前，邊發射半導體激光器作為光電子行業的重要組成部分，其應用已涵蓋工業、電信、科學、消費、軍事以及航空航天等方面。隨著技術的發展和進步，邊發射半導體激光器的功率、可靠性和能量轉換效率等性能都得到了極大的提高，其應用前景也越發廣泛。

接下來，小編將帶領大家進一步領略邊發射半導體激光器的獨特魅力。

圖1 （左）邊發射半導體激光器與（右）垂直腔面發射激光器結構示意圖

邊發射半導體激光器工作原理

邊發射半導體激光器的結構可分為以下三部分：半導體有源區、泵浦源以及光學諧振腔。與垂直腔面發射激光器的諧振腔（由頂、底部布拉格反射鏡構成）不同，邊發射半導體激光器器件中的諧振腔主要由兩側的光學膜構成，典型的EEL器件結構及諧振腔結構如圖2所示。邊發射半導體激光器器件中的光子經諧振腔選模放大后，將沿平行于襯底表面的方向形成激光。邊發射半導體激光器器件的工作波長范圍廣，適用于多種實際應用，因此成為了理想的激光光源之一。

圖2 典型的EEL器件及諧振腔結構示意圖

邊發射半導體激光器的性能評價指標也與其他半導體激光器一致，具體包括：（1）激光器激射波長；（2）閾值電流Ith，即激光二極管開始產生激光振蕩的電流；（3）工作電流Iop，即激光二極管達到額定輸出功率時的驅動電流，該參數應用于激光驅動電路的設計調制；（4）斜率效率；（5）垂直發散角θ~⊥；（6）水平發散角θ∥；（7）監控電流Im~，即半導體激光芯片在額定輸出功率時的電流大小。

GaAs基和GaN基邊發射半導體激光器研究進展

基于GaAs半導體材料制備得到的半導體激光器，是發展最為成熟的半導體激光器技術之一。目前，GaAs基近紅外波段（760-1060 nm）邊發射半導體激光器已實現廣泛的商業化應用。近年來，外延和封裝工藝等方面的研究突破也推動了GaAs基近紅外波段邊發射半導體激光器性能的進一步提升，其中GaAs基近紅外邊發射半導體激光器研究進展如表1所示：

表1 近年來基于GaAs材料的近紅外邊發射半導體激光器性能參數進展

GaN作為繼Si與GaAs之后的第三代半導體材料，由于其優異的物理、化學特性，在科研界與產業界得到了廣泛關注。在GaN基光電子器件的發展熱潮和科研工作者們的努力下，GaN基發光二極管和邊發射激光器已經實現產業化。

GaN基邊發射半導體激光器的主要發展歷程如下：

1994年，諾貝爾獎獲得者赤崎勇教授、天野浩教授（2014年諾貝爾獎得主）首先提出了基于氮化鎵雙異質結構的402.5 nm半導體激光器；

1996年，諾貝爾獎獲得者中村修二（2014年諾貝爾獎得主）帶領團隊首次研制出GaN基紫光激光器；

2014年，德國歐司朗集團報道了斜率效率為1.6 W/A、光功率約4.5 W的藍光激光器；

2017年，日本日亞化學工業株式會社報道了斜率效率為1.8 W/A、光功率約4.7 W的藍光激光器，以及光功率約0.87 W的綠光激光器；

2017年，索尼有限公司報道了斜率效率為5.2 W/A，光功率約1.8 W的綠光激光器；

2020年，中科院蘇州納米所提出了一種新型硅基GaN翻轉脊形波導激光器結構，大幅提高了器件的串聯電阻和熱阻性能；

2020年，中科院蘇州納米所研制出了斜率效率為1.65 W/A，光功率約4 W的藍光激光器······

邊發射半導體激光器應用現狀

由于邊發射半導體激光器具有波長范圍廣、大功率等特點，目前已成功應用于汽車、光通信、激光醫療等多個領域。據國際知名市場調研機構Yole Développement預測，邊緣發射激光器市場將在2027年增長至74億美元，復合年增長率為13%。這種增長將持續受到光通信的推動，例如用于數據通信和電信的光模塊、放大器以及3D傳感應用。針對不同的應用需求，目前行業內已經開發出了不同的EEL結構設計方案，包括：法布里珀羅（FP）半導體激光器、分布式布拉格反射器（DBR）半導體激光器、外腔激光器（ECL）半導體激光器、分布式反饋（DFB）半導體激光器、量子級聯半導體激光器（QCL）和廣域激光二極管（BALD）等，不同應用對邊發射激光器的性能要求如表2所示。

表2 不同應用對邊發射激光器的性能要求

邊發射半導體激光器應用案例如圖3所示。隨著光通信、3D傳感應用等領域需求的不斷增長，人們對半導體激光器的需求也在不斷加大。此外，邊發射半導體激光器與垂直腔面發射半導體激光器也在新興應用中起到了相互填補短板的作用，例如：

（1）在光通信領域中，1550 nm InGaAsP/InP分布式反饋 (DFB) EEL和1300 nm InGaAsP/InGaP 法布里-珀羅EEL通常在2公里至40公里的傳輸距離和高達40 Gbps的傳輸速率下使用。然而，在60米至300米傳輸距離和較低的傳輸速度下，基于850 nm InGaAs和AlGaAs的VCSEL則居支配地位；

（2）垂直腔面發射激光器具有小體積、窄波長等優勢，因此在消費電子市場取得了廣泛應用，而邊發射半導體激光器的亮度、功率優勢則為遠程傳感應用、大功率加工領域鋪平了道路；

（3）邊發射半導體激光器與垂直腔面發射半導體激光器都可用于中短程激光雷達，以實現盲點檢測、車道偏離等具體應用。

未來發展

邊發射半導體激光器具有高可靠性、小型化、發光功率密度高等優勢，在光通信、激光雷達、醫療等領域都具有廣闊的應用前景。

然而，盡管邊發射半導體激光器的制造工藝已比較成熟，但為了滿足產業和消費市場對于邊發射半導體激光器不斷增長的需求，就需要對邊發射半導體激光器的技術、工藝、性能等方面進行持續優化，包括：降低晶圓內部缺陷密度；減少工藝程序；研發新技術替代傳統容易引入缺陷的砂輪、刀片晶圓切割工藝；優化外延結構提高邊發射激光器工作效率；降低制造成本等。此外由于邊發射激光器的出光在半導體激光芯片的側面邊緣，難以實現小尺寸芯片封裝，因此相關的封裝工藝仍需進一步突破。

審核編輯：湯梓紅