銻化物半導(dǎo)體激光器是目前能夠覆蓋中紅外波段的主要手段。銻化物半導(dǎo)體激光器經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)逐漸走向成熟。由于在這個(gè)波段具有很多氣體分子的吸收峰以及具有較高透過率的大氣窗口，使得中紅外銻化物半導(dǎo)體激光器在氣體檢測、材料加工以及自由空間光通信等領(lǐng)域具有重要的作用。

目前，國際上GaSb基半導(dǎo)體激光器已經(jīng)開始從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品化，國內(nèi)加快開展銻化物半導(dǎo)體激光器研究的重要性和緊迫性不言而喻。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所等機(jī)構(gòu)的科研人員圍繞銻化物半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，相關(guān)研究內(nèi)容發(fā)表在《光電技術(shù)及應(yīng)用》期刊。

銻化物半導(dǎo)體激光器原理

銻化物激光器通常直接通過分子束外延（MBE）制備于GaSb襯底上，所使用的材料為GaSb、AlSb、InAs等二元化合物及由此衍生的三元、四元化合物。典型的銻化物半導(dǎo)體激光器包含限制層、波導(dǎo)層、有源區(qū)、電極接觸層。激光器上下限制層的作用是憑借其與波導(dǎo)層之間的導(dǎo)帶、價(jià)帶帶階差對(duì)載流子實(shí)現(xiàn)空間上的約束。波導(dǎo)層則來源于SCH的設(shè)計(jì)，憑借著高于限制層的折射率可以抑制光場進(jìn)入限制層與襯底，從而實(shí)現(xiàn)降低器件內(nèi)損耗的目的。有源區(qū)即發(fā)生受激輻射的區(qū)域，是使得激光器工作的核心區(qū)域。接觸層用于與外部電極形成歐姆接觸提升激光器的效率，同時(shí)也起著防止內(nèi)部結(jié)構(gòu)被氧化的作用。

銻化物半導(dǎo)體激光器技術(shù)特點(diǎn)

目前銻化物半導(dǎo)體激光器主要包括Ⅰ型量子阱激光器、Ⅰ型量子阱級(jí)聯(lián)激光器以及Ⅱ型的帶間級(jí)聯(lián)激光器。其中Ⅰ型量子阱激光器以及Ⅰ型量子阱級(jí)聯(lián)激光器的主要優(yōu)勢波段在1.8~3.5 μm波段，其具有瓦級(jí)的室溫連續(xù)輸出功率，其中在2 μm附近已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近2 W的大功率輸出，而在3 μm附近已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近1 W的大功率輸出。這種Ⅰ型的激光器由于結(jié)構(gòu)較為簡單，性能穩(wěn)定，可以具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和工作溫度。此外，為了方便集成到光學(xué)系統(tǒng)上，高光束質(zhì)量的GaSb基單橫模半導(dǎo)體激光器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近500 mW的大功率輸出。此外，銻化物分布式反饋（DFB）激光器也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了邊模抑制比大于50 dB的大功率輸出。對(duì)于Ⅱ類帶間級(jí)聯(lián)激光器，目前已經(jīng)成為覆蓋3~4 μm波段的主要手段，其可以實(shí)現(xiàn)3.5 μm及以上692 mW的大功率輸出。其波長目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作到2.9~6.2 μm，低溫已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近10 μm的激光輸出。

GaSb基Ⅰ型量子阱激光器能帶示意圖

GaSb基Ⅰ型量子阱級(jí)聯(lián)激光器能帶示意圖

GaSb基Ⅱ類量子阱帶間級(jí)聯(lián)激光器的有源區(qū)能帶示意圖

銻化物半導(dǎo)體激光器在氣體檢測、自由空間光通信等領(lǐng)域具有重要的作用。

銻化物半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于氣體檢測

紅外波段包含了大量氣體分子的特征振動(dòng)躍遷吸收譜，在該波段發(fā)展的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)（TDLAS）便成了氣體檢測的理想方案。TDLAS利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)分子的單個(gè)或幾個(gè)距離很近很難分辨的吸收線的測量，具有很高的靈敏度和很低的檢測限。同時(shí)為了消除譜線線型和抑制背景噪聲，需要入射光可調(diào)諧且窄線寬，能達(dá)到這些要求的只有工作在中紅外波段的高性能銻化物半導(dǎo)體激光器，使用這種中紅外激光器的氣體檢測一般都能達(dá)到ppb（十億分之一）量級(jí)的濃度。

銻化物半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于自由空間光通信

自由空間光通信屬于光無線通信的一類，使用紅外光作為數(shù)據(jù)的載體，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)之間長達(dá)數(shù)公里的高速通信，適用于保密通信、城域網(wǎng)擴(kuò)展、局域網(wǎng)互聯(lián)、應(yīng)急通信等領(lǐng)域。目前常用的自由空間光通信系統(tǒng)主要采用750~1600 nm的近紅外激光器作為光源，此類激光器抵抗大氣擾動(dòng)的能力較弱。工作于2~5 μm的中紅外銻化物激光器具有更大的優(yōu)勢：更長的波長可以減弱分子和粒子導(dǎo)致的光損耗；在惡劣天氣下的性能降低較小；3.5 μm附近波長大氣背景噪聲在3.5 μm處于明顯的低值；對(duì)于人眼更加安全。目前工作于中紅外大氣透明窗口的銻化物ICL光源主要在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

總而言之，相較于GaAs、InP等發(fā)展較為成熟的Ⅲ-Ⅴ光電子材料體系，銻化物材料有其獨(dú)特的優(yōu)勢。基于這些優(yōu)勢，銻化物半導(dǎo)體激光器未來有望朝向高光束質(zhì)量、更長波長、更大功率和激光高速調(diào)制等方向進(jìn)一步發(fā)展。

審核編輯：劉清