GaAs基高功率半导体激光器十年进展——从百瓦芯片到千瓦模块

    封面展示了GaAs 基高功率边发射半导体激光器泵浦固体、气体和光纤激光器的场景。半导体激光器中的电子和空在量子阱结构内高效复合产生光子，经谐振腔完成光模场调控，实现高功率、高效率、高亮度的激光输出。工业化芯片制备、高效率波导设计、模式调控和片上光栅等技术创新推动半导体激光器在功率、电光效率、光束质量及光谱调控等方面不断突破极限，为当代高能激光技术提供核心驱动力。

一、引言

      GaAs基高功率边发射半导体激光器作为光纤激光器、固体激光器、碱金属蒸气激光器等激光系统的核心器件，其发展始终与**及工业应用需求紧密相联。当前，高能激光系统对泵源功率持续提升的需求，叠加工业领域对激光器成本效益、可靠性及效率的追求， 推动GaAs基边发射半导体激光器在功率、电光效率、光束质量及光谱调控等方面的性能极限实现不断突破。

      四川大学教授、长光华芯首席技术官王俊团队总结了近10年来该领域的技术进展：聚焦功率效率提升瓶颈，解析宽条与锥形半导体激光器芯片模式调控技术，探讨内置光栅波长锁定能力与功率效率损失的机理，综合对比不同应用的光纤耦合技术并分析其应用中的挑战。通过梳理国内外技术路线发展脉络，为下一代高功率半导体激光器的研发提供理论参考与技术路径。

二、关键技术

1、边发射半导体激光器制备关键技术

      金属有机物化学气相沉积凭借高产量和规模化优势，成为工业级高功率半导体激光器的外延技术。大规模外延生产线建设的关注点包括降低成本、提高产量和晶圆片上均匀性。II-VI公司和长光华芯均报道了MOCVD 生长6 inch GaAs基高功率量子阱激光器的大量生产的均匀性与稳定性。晶圆片内波长标准差仅为 0.56 nm。同一炉次内片间差异性小，不同位置的衬底翘曲均保持在20 km-1以下，晶圆间平均温度波动仅 2 ℃ ，如图1所示。同时低电阻隧道结生长技术、拓展波长的高应变量子阱生长技术和低缺陷再生长技术也备受关注。

图1 MOCVD生长参数的过程监控。（a）同批次生长8片晶圆的曲率；（b）9xx nm外延结构生长过程中晶圆的温度分布

      持续强劲的芯片需求量和持续下降的芯片价格促使晶圆制造向更大的晶圆尺寸和更自动化可控生产方向发展。头部芯片制造商从完善的3 inch GaAs平台过渡到6 inch GaAs平台。随着高功率芯片的工业化生产需求，全自动和半自动的腔面处理专业设备出现。商业化代表的公司包括 SVTA、RIBER和 VEECO。长光华芯等国内公司也研制了具有自主知识产权的工业化生产真空解理腔面钝化以及离子清洗钝化设备。

2、高效率高功率边发射半导体激光器​芯片

      功率与效率是半导体激光器芯片的核心性能指标。非对称波导的设计理念实现内损耗和电阻的同步优化成为提升效率的重要方向。2006 年 Crump 等报道了室温下直流测试峰值效率达到 76% 的980 nm 单管器件。2020年Fujikura 公司采用了加强的非对称波导设计，在 9xx nm 波长的器件上实现了74% 的峰值效率，工作效率超过70%@20 W。

      除芯片结构外，降低温度为效率的提升提供了新维度。2006 年Crump 等采用专为低温条件工作设计的外延结构，获得了在-50 ℃直流条件下峰值效率高达85% 的 975 nm 巴条器件。2025年Crump等提出具有更低阈值以及更高斜率的芯片结构设计，其室温效率有望接近80%。

      不同波长激光器效率现状如图2所示，相比 9xx nm 的激光器，7xx~808 nm 器件由于量子阱材料增益低、波导材料的载流子限制能力不足、迁移率低，其效率受到更大的限制。多年来研究者们通过材料和器件结构的多方面探索，其室温峰值效率也达到70% 。2024年，Wang等利用GaAsP量子阱替换 AlGaInAs 量子阱，780 nm 器件的室温峰值效率达到创记录的71%。

图2 不同波长边发射半导体激光器效率发展现状

      提高半导体激光器功率的设计主要聚焦在提高芯片的温度特性和散热能力上。2025年，Ermolaev等报道温度特性优化的975 nm芯片，功率提高到52W。增加器件的腔长有利于提高散热能力。2017年，Gapontsev 等报道了5.1 mm 腔长、100 μm 条宽的 976 nm激光芯片，输出功率超过30W。

      增加芯片宽度也是提高散热能力的另一途径。Todt 等报道了320μm 条宽的976 nm 激光芯片，额定工作达到 45 W，效率达到65%。

      相比9xx nm波段，7xx~808 nm 波段的功率面临更严重的热饱和挑战。2011年 Bao 等报道磷化物和砷化物共存的有Al 体系，200μm 条宽芯片输出功率接近25 W。Wang等通过对外延结构光限制因子和波导非对称性进行优化，100 μm 条宽的808 nm芯片上实现了直流 19 W 的功率输出。不同波长激光器效率现状如图3所示。

图3 不同波长边发射半导体激光器功率发展现状

      多结芯片为高功率高效率芯片提供了新的技术路径。2024 年，Wang 等研发了500 μm 条宽的双结边半导体激光器，实现了132.5 W 的直流功率输出，峰值效率70%.

3、高亮度边发射半导体激光器芯片

      近十年提出的提升高功率半导体芯片侧向光束质量的策略包括优化发光区横向结构的热流路径、采用电流阻挡层边缘载流子堆积、加强模式滤波选择性损耗等。

      2023 年，Liu 等采用阶梯金属微热通道结构，降低热透镜效应，230μm 注入区宽度的器件上，38 W时侧向亮度超过3.5 W/(mm?mrad）。2024年，King 等通过两步外延生长和氧离子注入，侧向载流子积累效应，在100 μm 条宽器件上19 W 时侧向亮度保持3.4 W/（mm·mrad）。2020年，Kanskar 等报道减模技术在17 W 输出时慢轴亮度达到4.0 W/（mm·mrad）。

      另一方面，锥形半导体激光器能在接近衍射极限的光束质量条件下高功率输出。2017年，杜维川研究组和Müller研究组分别报道的集成DBR（分布布拉格反射镜）的锥形半导体激光器，近衍射极限功率突破10W。

4、波长锁定边发射半导体激光器芯片

      内部光栅波长锁定芯片的关键性能参数是在所要求光谱宽度内的功率和转换效率。

      为降低光栅引入的光学损耗和电阻，提高DFB(分布反馈)激光器的功率和效率，2012 年，Schultz等报道了基于原位刻蚀技术的浅光栅DFB激光器，实现了12 W@100 μm 高输出功率和 60% 的转换效率。 2024年，Kanskar 等开发了980nm宽条高效波长锁定激光芯片，输出功率22 W。在7xx波段，2025年，Zhu等通过改善光栅材料的氧污染和生长缺陷， DFB 激光器在室温功率超过10 W@195 μm。不同波长DFB激光器功率见图4。

      表面光栅半导体激光芯片避免了掩埋光栅所涉及的外延问题，显著简化了芯片工艺。Elattar等采用反射率达到95%的表面光栅DBR，873 nm 的器件上实现了 27.2 W 的输出功率。

图4 每100 μm条宽不同波长DFB激光器功率发展图

5、光纤耦合合束半导体激光器模块

      单管光纤耦合半导体激光器模块凭借无需复杂繁琐的光束整形、激光单元间隔大、功率高及支持紧凑冷却方案等优点，成为光纤激光泵浦的优选方案。

      为降低光纤激光系统成本并满足高亮度需求，单管芯片发光区宽度从75 μm 扩展至320 μm，使模块功率从10年前的百瓦级跃升至当前1900 W @300μm水平，如图5所示。

图5 多单管光纤耦合泵浦模块的功率与亮度关系

6、单管波长锁定光纤耦合合束半导体激光器模块

      窄谱宽半导体激光器通常包括 VBG 复合外腔激光器、DFB/DBR 或可调谐外腔激光器。

      长光华芯于2024年推出了325 W/200 μm 的888 nm VBG波长锁定光纤耦合激光器，推动高功率紫外皮秒和纳秒固体激光器发展。碱金属泵浦的核心挑战在于碱金属吸收谱线极窄（<0.1 nm）。Tobias 团队将VBG与闭环温控波长锁定方案结合，实现430 W/56 pm 光纤耦合输出的780 nm 泵源。

      为满足高能激光“瞬时启动”需求，基于片上波长锁定激光芯片的模块近年成为研究热点。 nLight在2024年报道了基于片上波长锁定芯片的光纤耦合模块，输出功率>600 W@220 μm，波长锁定时间缩短至毫秒级。

7、高亮度光纤耦合合束半导体激光器模块

      光谱合束技术原理如图6所示。美国 Teradiode 公司通过创新的半导体巴条多通道光谱合束方案，研发出千瓦级高亮度光纤耦合直接半导体激光器系列产品，其光束质量（BPP≤4 mm·mrad）达到工业级光纤激光器与碟片激光器的同等水平。

      基于单管的光谱合束避免了热过度集中、容易产生串扰、单个发光点失效影响整个器件性能等缺点，实现高可靠性、高效率的高亮度激光光源。Yu等报道了基于单管的光谱合束技术，该技术取得了光纤耦合2.1 kW@100 µm 直接半导体激光输出，效率达到 53%。

图6 光谱合束原理示意图

三、趋势展望

      在激光加工市场高速增长与国家**战略需求的驱动下，国内激光产业蓬勃发展，涌现了一批以上市公司苏州长光华芯为代表的创新技术企业。研究机构如半导体所、长春光机所、中国工程物理研究院等与公司深度产学研结合，推动我国高功率半导体激光器技术已实现从“跟跑”到“并跑”的跨越，部分领域达到国际领先水平，尤其在批量制造方面处于领先地位。

      未来相关企业继续深度融合，以精细化、体系化、多指标协同优化的路径，进一步加速技术进步，在这一领域进一步扩大国产化替代和超越，巩固相关技术国际领先地位。

参考文献： 中国光学期刊网

您好，可以免费咨询技术客服[Daisy]

官网 筱晓(上海)光子技术有限公司

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产品链接给您。

免责声明：

资讯内容来源于互联网，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。