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一文看懂半導體激光器發展歷程及應用現狀

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一文看懂半導體激光器發展歷程及應用現狀

分類:
行業新聞
作者:
來源:
2019-07-212 11:18
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【摘要】:
光纖通信時代的半導體激光器1977年,雙異質短波長半導體激光器的連續工作壽命達到了1×106個小時,同年5月,以此為光源的第一代光纖通信系統在美國正式投入使用。隨著光通信對信息傳輸大容量、長中繼的發展需求,長波長、長壽命半導體激光器的研制工作也隨之展開。1979年,第二代光纖通信系統時代的來臨,更寬的波長范圍對半導體激光器提出了更高的要求。早在1976年,林肯實驗室成功就研制出了能在室溫下連續工作

光纖通信時代的半導體激光器

1977年,雙異質短波長半導體激光器的連續工作壽命達到了1×106個小時,同年5月,以此為光源的第一代光纖通信系統在美國正式投入使用。隨著光通信對信息傳輸大容量、長中繼的發展需求,長波長、長壽命半導體激光器的研制工作也隨之展開。

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1979年,第二代光纖通信系統時代的來臨,更寬的波長范圍對半導體激光器提出了更高的要求。早在1976年,林肯實驗室成功就研制出了能在室溫下連續工作的InGaAsP 激光器(波長為1.1μm)。1977和1979年,美籍華裔科學家謝肇鑫采用液相外延的方法,在室溫條件下分別實現1.3μm和1.55μm的InGaAsP激光器的連續受激激發。InGaAsP激光器很好地契合了第二代光纖通信系統損耗窗口的波長范圍,長波長、長壽命的半導體激光器也由此成為國際上著重關注的研制對象。到1988年,InGaAsP激光器的連續工作壽命達到了1×105小時,輸出功率大為提升,同時臨界電流密度也再次降低。

隨著行業的發展,第二代光纖通信系統已經無法滿足高速發展的通訊需求,長距離、大容量成為光纖通信行業新的方向。此前光纖通信的容量主要受限于激光器多縱模發射的模式,因此單模模式的長波長半導體激光器成了第三代光纖通信系統的研究重點。

為了縮窄半導體激光器的線寬,科學家將光柵技術引入到半導體激光器的制造中,制造出DFB(無腔面分布反饋)半導體激光器。這類激光器線寬非常窄,接近于單色波激光,此外還可以實現較寬的波長調諧范圍。這使得 DFB半導體激光器能夠實現單縱模發射,大大提升了光纖通信的傳輸容量。80年代末期,DFB半導體激光器取得一定的成果,大大推動了第三代光纖通信系統的發展。

高功率半導體激光器蓬勃發展

隨著量子理論的發展和科學家們對半導體激光器研究的不斷深入,1970年便有人提出了超晶格量子阱的概念,并在GaAs半導體上實現了超晶體結構。1975年,科學家利用分子束外延技術成功研制出第一臺GaAlAs-GaAs類材料的量子阱激光器。但由于技術不夠完善,首臺量子阱激光器未能在室溫條件下實現連續穩定振蕩。隨著分子束外延技術不斷完善改進,1982年美國貝爾實驗室成功研制出臨界電流密度為160A/cm2的半導體量子阱激光器,開啟了量子阱激光器研究的帷幕。

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此后,量子阱激光器的研究方向主要集中于InGaAlP—GaAs、GaAlAs—GaAs和InGaAsP—InP這三類材料上。1986年,應變量子阱的概念被提出,優化了材料內部的價帶特性,改良了半導體發光器件的性能。1997年,高功率、長波長單量子阱激光器成功研制,大功率半導體激光器的實用性得以加強,應用領域大為拓展,半導體激光器迎來蓬勃發展。

我國半導體激光器研究歷程

我國激光技術的起步稍晚于國外。在霍爾實驗室研制出半導體激光器一年后,中科院半導體所的王守武小組和長春光機所的王乃弘小組先后觀察到砷化鎵二極管的受激成功現象,開啟了中國研究半導體激光器的時代。在特殊時期,我國的科研進展受到一定的阻礙,半導體激光器的研究也一度停滯不前。但在這樣的情況下,上光所和半導體所依然克服重重困難,于1970研制出單異質結構半導體激光器。

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困難時期結束后,我國半導體激光器的研發駛入快車道,連續實現較多突破,到1999年已實現120mW大功率半導體激光器壽命超越10萬小時。千禧年之后,我國半導體激光器的研究工作連續取得突破,相關企業也逐漸增多,半導體激光器產業化之路愈發通暢。

 

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