大功率垂直腔面发射半导体激光器及其列阵应用

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欢迎访问e展厅 展厅 1 激光器展厅 半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ... 半导体激光技术已经成为二十世纪发展最快、成果多、学科渗透广、应用范围大的综合性高新技术。半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长，广泛用于光纤通信、光纤激光器、空间通信、激光显示、激光测距、激光引信、激光照明、跟踪、制导、目标识别、对抗和致盲等领域。 半导体激光器可以分为边发射和面发射两种。其中，边发射半导体激光器目前已发展的比较成熟，然而，由于其光束是椭圆形的，在相互垂直的两个轴上发散角相差比较大，光束质量比较差，因此，在使用时需使用复杂昂贵的光束整形系统；另外，也不容易实现二维列阵集成。 垂直腔面发射激光器（VCSEL）是一种垂直表面出光的新型激光器。与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整形系统,现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90％；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造的成本很低。 国内外技术、应用现状、应用领域 由于大功率垂直腔面发射激光器研究涉及到材料结构设计、高质量外延材料生长、工艺等诸多关键技术，目前国外的研究主要集中在德国、美国、英国等。 德国Ulm大学采用大直径（320微米）器件实现单管连续890mW，19个直径80微米器件列阵实现连续1.4W（相当于功率密度1kW/cm2）和纳秒窄脉冲10W的光输出。美国加州大学采用1000个直径45微米的列阵实现脉冲5W输出。美国Novalux公司2003年利用连续1W输出的980nm垂直腔面发射激光器通过腔内倍频获得了42mW的蓝光高功率输出。美国Sandia国家实验室光泵浦垂直腔单管器件，实现980nm波长输出，脉冲功率达到4.4W。 中国科学院光电研究院已经在国际上首次研制出大直径高功率垂直腔面发射半导体激光器，处于国际领先水平。 由于半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长、功耗低，而垂直腔面发射激光器又具有很好的光束质量，可以广泛应用于光纤通信、光纤激光器、空间通信、激光显示、激光测距、激光引信、激光照明、跟踪等领域。例如， 光纤激光器具有体积小、能耗低、寿命长、稳定性高、免维护、多波段等特征，它以优越的光束质量、稳定的性能、超高的光电转换效率，赢得了众多激光业内人士的肯定： （1）光纤激光器将替代绝大部分低功率及高功率Nd:YAG及CO2激光器； （2）光纤激光器与其它类型激光器相比，它以其卓越的性能在所有主要的工业激光应用领域内都具有绝对压倒性优势； （3）光纤激光开辟了许多传统激光望尘莫及的崭新应用领域； （4）光纤激光器以其超高的可靠性，卓越的光束质量，低廉的运行成本，为激光加工行业建立了新的标准； （5）光纤激光器以其低廉合理的生产成本，将在短期内替代大部分传统的灯泵浦、二极管泵浦Nd:YAG激光系统，并在激光切割及焊接领域中替代70%左右的轴流CO2激光系统。光纤激光不久将会成为激光市场的主流产品。 在光纤通信方面，目前VCSEL市场空前发展，并在北美替代高价位的LD用于千兆、万兆以太数据通信网的建设，导致了高速VCSEL收发模块需求爆炸性地增长。虽然目前通信市场萎缩，但据美国E1ectroniCast公司最近预测，全球用于光通信的VCSEL激光收发机的需求量在未来5年内仍将以每年35％的速率递增，到2006年将达到20亿美元。未来的中国将是最大的数据通信网市场，利用VCSEL／Pin阵列实现10 Gbit／s乃至40 Gbit／s的甚短距离(VSR)并行光互联及大容量交换设备和传输设备间高密度的背板连接，将会大大促进国内数据通信网和通信设备的发展。 VCSEL在其他方面也有不错的应用前景。在光打印方面，激光打印机中的多边镜等光扫描技术的电子化是多年未能解决的课题，随着技术的发展，已逐步得到改善。如果采用LED阵列，电能消耗是个瓶颈，而导入VCSEL阵列则可以解决这个问题。采用数千个VCSEL构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫描的最好方式。相比过去的单个激光管，VCSEL的阵列集成结构可以同时进行多行的扫描。这可以大大提高激光打印机的扫描速度并相应延长其使用寿命。在光显示方面，通常的显示器都是利用红、绿、蓝三元色发光管构成的，如果能够制成具有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领域中。目前，波长范围从蓝色覆盖到紫外波段的GaN系列激光器正处在研究阶段。这个系列的VCSEL是解决未来图像显示的有力技术。在照明方面，VCSEL的电光转换效率达到50％以上，远远高于目前的照明光源，如果它的波长能从紫外波段覆盖到可见光区，可以期待它在照明领域里面也能有着广泛的应用前景，实现白光照明。例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及户外照明灯等许多方面。另外在气体检测、高密度光存储方面也有希望得到应用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/6/2006)