锑化物半导体激光器研究进展

锑化物半导体激光器是目前能够覆盖中红外波段的主要手段。锑化物半导体激光器经过多年的研究和发展，已经逐渐走向成熟。由于在这个波段具有很多气体分子的吸收峰以及具有较高透过率的大气窗口，使得中红外锑化物半导体激光器在气体检测、材料加工以及自由空间光通信等领域具有重要的作用。

目前，国际上GaSb基半导体激光器已经开始从实验室走向产品化，国内加快开展锑化物半导体激光器研究的重要性和紧迫性不言而喻。据麦姆斯咨询报道，来自中国科学院半导体研究所、中国电子科技集团公司第四十一研究所等机构的科研人员围绕锑化物半导体激光器的研究进展进行了综述分析，相关研究内容发表在《光电技术及应用》期刊。

锑化物半导体激光器原理

锑化物激光器通常直接通过分子束外延（MBE）制备于GaSb衬底上，所使用的材料为GaSb、AlSb、InAs等二元化合物及由此衍生的三元、四元化合物。典型的锑化物半导体激光器包含限制层、波导层、有源区、电极接触层。激光器上下限制层的作用是凭借其与波导层之间的导带、价带带阶差对载流子实现空间上的约束。波导层则来源于SCH的设计，凭借着高于限制层的折射率可以抑制光场进入限制层与衬底，从而实现降低器件内损耗的目的。有源区即发生受激辐射的区域，是使得激光器工作的核心区域。接触层用于与外部电极形成欧姆接触提升激光器的效率，同时也起着防止内部结构被氧化的作用。

锑化物半导体激光器技术特点

目前锑化物半导体激光器主要包括Ⅰ型量子阱激光器、Ⅰ型量子阱级联激光器以及Ⅱ型的带间级联激光器。其中Ⅰ型量子阱激光器以及Ⅰ型量子阱级联激光器的主要优势波段在1.8~3.5 μm波段，其具有瓦级的室温连续输出功率，其中在2 μm附近已经可以实现接近2 W的大功率输出，而在3 μm附近已经可以实现接近1 W的大功率输出。这种Ⅰ型的激光器由于结构较为简单，性能稳定，可以具有较高的光电转换效率和工作温度。此外，为了方便集成到光学系统上，高光束质量的GaSb基单横模半导体激光器已经可以实现接近500 mW的大功率输出。此外，锑化物分布式反馈（DFB）激光器也已经实现了边模抑制比大于50 dB的大功率输出。对于Ⅱ类带间级联激光器，目前已经成为覆盖3~4 μm波段的主要手段，其可以实现3.5 μm及以上692 mW的大功率输出。其波长目前已经可以实现室温连续工作到2.9~6.2 μm，低温已经可以实现接近10 μm的激光输出。

GaSb基Ⅰ型量子阱激光器能带示意图

GaSb基Ⅰ型量子阱级联激光器能带示意图

GaSb基Ⅱ类量子阱带间级联激光器的有源区能带示意图

锑化物半导体激光器在气体检测、自由空间光通信等领域具有重要的作用。

锑化物半导体激光器应用于气体检测

红外波段包含了大量气体分子的特征振动跃迁吸收谱，在该波段发展的可调谐半导体激光器吸收光谱技术（TDLAS）便成了气体检测的理想方案。TDLAS利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线的测量，具有很高的灵敏度和很低的检测限。同时为了消除谱线线型和抑制背景噪声，需要入射光可调谐且窄线宽，能达到这些要求的只有工作在中红外波段的高性能锑化物半导体激光器，使用这种中红外激光器的气体检测一般都能达到ppb（十亿分之一）量级的浓度。

锑化物半导体激光器应用于自由空间光通信

自由空间光通信属于光无线通信的一类，使用红外光作为数据的载体，可以实现两个点之间长达数公里的高速通信，适用于保密通信、城域网扩展、局域网互联、应急通信等领域。目前常用的自由空间光通信系统主要采用750~1600 nm的近红外激光器作为光源，此类激光器抵抗大气扰动的能力较弱。工作于2~5 μm的中红外锑化物激光器具有更大的优势：更长的波长可以减弱分子和粒子导致的光损耗；在恶劣天气下的性能降低较小；3.5 μm附近波长大气背景噪声在3.5 μm处于明显的低值；对于人眼更加安全。目前工作于中红外大气透明窗口的锑化物ICL光源主要在实验室研究阶段。

总而言之，相较于GaAs、InP等发展较为成熟的Ⅲ-Ⅴ光电子材料体系，锑化物材料有其独特的优势。基于这些优势，锑化物半导体激光器未来有望朝向高光束质量、更长波长、更大功率和激光高速调制等方向进一步发展。

审核编辑：刘清