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一文看懂半导体脉冲激光器发展!

时间:2022-01-24 12:16:13 来源: 光通信技术

引言

半导体激光器具有体积小、结构简单、功耗低、光/电转换效率高和易于调制等特点,在民用和军用方面有较好的应用前景[1-5]。目前,半导体激光器在通信、测 距、加工和医疗等领域应用广泛[6]。随着半导体光电子技术的发展, 各行业对半导体激光器的需求愈发强烈,对其性能的要求也越来越高。

半导体激光器的驱动源分连续型驱 动和脉冲驱动 2 种模式。连续型驱动模式一般在激光二极管(LD)的阈值条件附近设置直流偏置,调节驱动电流控制其输出,在此过程中必须为 LD 增设反馈网络,通过负反馈调节实时控制驱动电流,确保 LD 稳定地工作;脉冲驱动模式中的驱动源以特定脉宽、 频率的信号驱动LD,对于脉冲电流纹波要求不高的场景,一般无需增设上述反馈网络。因此,脉冲驱动模式更具发展潜力。在脉冲驱动模式下, 由于驱动过程中只在 PN 结产生微弱的热效应,故在半导体激光器输出功率较低的情况下可以不为其增设温控系统。与连续驱动模式相比, 脉冲驱动模式下的 LD 能承受的脉冲信号幅值较高,导致 LD 输出光束的能量强度较大[1]。因此,研制具有较高技术指标要求(如研制脉冲参数、输出功率和重复频率等) 的窄脉冲半导体激光器具有重要的意义。本文综述半导体脉冲激光器的发展与研究现状,并对半导体激光器性能的提升方式进行介绍。

半导体脉冲激光器的发展与研究现状

目前, 半导体激光器性能的提升方式主要有2种:一种是优化半导体激光器结构、材料和加工工艺;另一种是提升半导体激光器驱动电源特性[9]。

1.1 半导体脉冲激光器在新材料、 新结构和新工艺技术方面的发展

改良激光器与其驱动电路的结构、优化工艺技术和提升半导体材料的性能,可增强半导体激光器的各项性能指标,尤其是新型半导体材料的不断创新使其性能提升更具发展潜力。

改进激光器管芯结构,能有效提高激光器输出功率。2009 年,中国科学院陈彦超等人[11]将驱动电路与激光器管芯集成封装成整体的激光器模块,得到了脉宽为 7 ns、 最大光功率为 176 W 的大功率窄脉冲,其多管芯阵列排序示意图如图 1 所示。单管半导体激光器作为窄脉冲激光光源时输出光功率小,激光器多管芯组合虽能实现大功率输出,但其结构等效电路的参数提取困难。针对这一问题,2012 年,长春理工大学辛德胜等人 [12] 提出了提取驱动电路参数的一种简便方法——基 于 外 特 性 测 量 法,并 应 用 此 方 法 设 计 了 一种板载结构的半导体激光器驱动电路, 得到脉宽为8.3 ns、输出功率为 180 W 的光脉冲。

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近年来,半导体锁模激光器在结构方面的研究也取得进展。2012 年,STRAIN M J 等人[13]提出了一种紧凑 的 半 导 体 锁 模 激 光 器(DBR MLL),其 几 何 结 构 如图 2 所示,该结构主要由 3 个部分组成:可饱和吸收器(SA)、增益(GS)和分布式布喇格反射器(DBR)。采 用 DBR 的频谱滤波在各种驱动条件下产生 Q 开关锁模,表现出了强大的无源开关锁模能力。锁模脉冲宽度约为 3.5 ps, 脉冲峰值功率与平均功率比高达 121, Q 开关在频率 1~4 GHz 连续可调。2014 年,中国科学院与英国邓迪大学[14]联合研制了针对 760 nm 波段的第一个半导体锁模超短脉冲激光器——基于 AlGaAs多量子阱结构的多节 LD 被动锁模, 该激光器产生波段大约为 766 nm 的脉冲,其脉冲持续时间大约低至4 ps,在激光腔长度为 1.8 nm、1.5 nm 时,其对应的脉冲重复率分别为 19.4 GHz、23.2 GHz。

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随着加工技术的发展,工艺精度不断提高,有利于提升激光器性能。2016 年,HE Y 等人[15]采取 0.13 μm集成互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,设计了 全集成 CMOS 驱动电路, 用超短电流脉冲直接调制 LD的方法来生成皮秒激光脉冲,其模具显微图如图 3 所 示。该 CMOS 驱动电路由压控环形振荡器、压控延迟线、异或电路和电流源 4 个子电路组成。其中,振荡器产生的初始方波与延时方波进行异或,异或电路因此产生超短电流脉冲;再将 CMOS 芯片封装后与印制电路板(PCB)上的 LD 互连,有效 降低了寄 生参数的影响。此激光源的输出光脉冲的脉宽为 151 ps,重复频率为 5.3 MHz,峰值功率为 6.4 mW。

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2017 年,华东师范大学和东京大学[16]采用 40 nm微 电 子 工 艺 技 术, 联 合 设 计 了 一 种 低 成 本 的 集 成CMOS 脉冲发生器, 通过外围电路将 CMOS 脉冲发生器转换为最小脉宽为 80 ps 且可调的电动脉冲管,其可调谐输出电压为 0.9~1.5 V,宽调谐范围可达 270 ns。根据激光系统的增益开光特性, 用此电脉冲直接驱动半导体激光器,在电脉冲宽度调谐到大约为 1.5 ns 时,激 光 器 能 产 生 脉 宽 为 100 ps 的 光 脉 冲 。2016 年 ,HUIKARI J 等人[17]对活性层厚度与约束因子之比 da Гa约为 3 μm、 条宽/腔长为 30 μm/3 mm 的体量子阱 LD进行了测试, 该半导体激光器能实现脉冲能量为 1nJ量级、脉冲长度为100 ps、脉冲幅值为 6~8 A 和持续时间为 1 ns 的电流脉冲。2018 年,TAJFAR A 等人[18]采用160 nm 的单片集成工艺(BCD)技术,设计了一种高功率、高强度和单芯片集成的 LD 驱动器,该半导体激光驱动器能产生脉宽小于 1 ns、 重复频率为 40 MHz 和峰值电流高达 20 A,且完全可编程的电脉冲;另外,他们还通过嵌入电流数/模转换(DAC)的方式,为 LD 提供其所需的阈值电流,改善 LD 的响应时间。2019 年,中国科学技术大学的 FENG B 等人 [19] 提出了一种采用130 nm CMOS 技术的可调幅度和脉宽的激光源驱动器,该驱动器能生成可调脉宽为 300 ps~3.8 ns、峰值电流为 70 mA 以及重复频率为 625 Mb/s 的电流脉冲。

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