十分钟看懂半导体激光器

一、前言 

半导体激光器是以半导体材料为增益介质的激光器，依靠半导体能带间的跃迁发光，通常以天然解理面为谐振腔。因此其具有波长覆盖面广、体积小、结构稳定、抗辐射能力强、泵浦方式多样、成品率高、可靠性好、易高速调制等优势，同时也具有输出光束质量差，光束发散角大，光斑不对称，受到带间辐射的影响导致光谱纯度差、工艺制备难度高的特点。

本文针对半导体激光器光谱纯度差、光束质量差、大功率工作困难、难于实现腔内调控等缺点，以光泵浦垂直外腔面发射激光器、微纳激光器和拓扑绝缘体激光器的研究发展路线为载体，简要回顾新体制激光器的发展历程，并通过研究总结相关器件的技术发展路线，总结了在多学科交叉的技术背景下，实现新物理、新概念以及新技术融合的方法，为我国半导体激光器产业的发展提出相关建议，以供参考。 

二、几种新体制半导体激光器简介

 新物理、新概念以及新技术与半导体激光器的融合，为其发展注入了新鲜的血液，通过与光学、电磁学、微电子学、拓扑学以及量子力学的交叉渗透，催生出了许多新体制激光器，它们或者有大规模的集成应用前景，或者有优秀的光束和光谱质量，或者有更高更稳定的输出功率，或者有更小的体积和突破衍射极限的光斑，或者便于调制和倍频，或者具有让人兴奋的微小功耗。这些新体制激光器的发展，代表了半导体激光器技术的先进水平，同时也反映着物理理论、工程技术以及制备工艺的发展现状，值得进行深入的研究。其中，光泵浦垂直外腔面发射激光器、微纳激光器和拓扑绝缘体激光器（见图 1）分别代表了激光学科内部的交叉应用、激光器与光学的交叉应用以及激光器与新兴物理领域交叉应用所催生出的新型半导体激光器，具有丰富的物理内涵和应用价值，本文将进行较详细的讨论。

三、国内外半导体激光器产业发展现状

半导体激光产业已经成为整个激光产业的基石，而激光产业也已经成为人类社会生活不可分割的一部分。据统计，2019 年全球激光器的销售额预计将维持 6% 的增长速度，达到 146 亿美元。其中半导体激光器的市场规模（包括直接的半导体激光器，也包括固体激光器与光纤激光器的泵浦源）约为 68.8 亿美元，占激光器整体市场的 50% 左右，年增长率约为 15%。

四、我国在半导体激光行业的发展需求

我国在半导体激光行业发展的首要需求是保障国家战略安全。半导体激光器是光通信、激光传感、激光加工、激光泵浦的核心元器件，还可以直接应用于激光雷达、激光测距、激光武器、导弹制导、光电对抗等领域。 建设完整的闭环产业链条，形成正反馈，通过市场应用，促进前端核心芯片的加速成熟，利用成熟的芯片技术，带动新成果和新应用的落地是我国相关产业发展应该选择的最佳路径。

我国半导体激光器产业长期处于追赶阶段，在某些领域实现引领是行业发展的迫切需求。从实际出发，针对新应用，开发新器件，占据“先发优势”，是实现超越的有效途径。

首先，我国在新体制激光器的研发方面与国外的差距相对较小。受到近年来政策偏向的支持，我国在交叉学科融合以及新兴半导体激光器领域已经有了长远的发展。尤其在微纳光学和微纳激光领域，我国的科研人员通过国际合作参与或主持了许多世界顶尖的研究成果，如果能够将这些成果进行产业化转移，必定会为我国新体制半导体激光器产业的发展奠定良好的基础。其次，新体制激光器涉及基础物理领域。我国近年来重视基础学科建设，为新体制激光器的发展提供了人才基础和发展后劲。最后，在新体制激光器产业领域，国外的发展与我们一样处于起步阶段，通过国家的资金和政策支持，我国的新体制激光器发展将有能力在世界新体制激光器产业的发展中占有一席之地。

技术的积累和产业的发展不能一蹴而就，在看到希望的同时也要正视所遇到的困难。我国半导体激光器产业的发展仍然处于相对落后的状态，无论是技术理论、人才储备还是工艺流程和生产设备都远远落后于国外的先进企业。企业规模仍然以中小型民营企业为主，所生产的产品也主要面对中低端应用，无法实现本质上的产业变革。技术输出仍然以单一技术或单一专利为基础，无法形成完整的产业链发展，更无法建立完善的“产学研”结合体系。制造设备仍然以进口设备为主，强烈依赖于国外的技术输出，无法实现真正的自主知识产权。所以，相关方向的政策扶植迫在眉睫。

五、对策建议

半导体激光产业是关系国计民生的基础产业之一，半导体激光器产业的发展对我国在现代信息化社会的竞争中抢占先机具有重要意义。充分发挥我国在市场方面的优势开发新应用，坚持自主的原则发展新技术，鼓励新概念和学科交叉发展新理论，实现新体制的半导体激光器发展。新体制半导体激光器产业的竞争领域在国际范围内仍有广阔的疆土。结合我国的政策优势、科技发展水平和人才储备，在未来的 10~20 年我们有希望在新体制半导体激光器领域内培育出可以与世界领先激光产业巨头相抗衡的优秀企业，为抢占战略制高点，为半导体激光产业的进一步发展提供源动力。

首先，鉴于当前半导体激光器产业发展中的困难和挑战，我国在近期的首要任务是有选择、有针对性地扶植适用于特种应用的半导体激光器的研制和生产，如针对高功率、窄线宽、特殊波长等应用，进行相关科研和技术攻关及企业技术转移。充分评估国产器件性能，正视差距，努力提升，保证国家装备安全。

 其次，在民用领域，推动成本敏感的半导体激光器国产化替代，充分利用市场导向和企业自身动力，辅以地方政策引导扶植，注重相关产品的差异化，避免一窝蜂式发展是当前的重要目标。例如，相比电信应用，数据中心应用中光器件和模块生命周期短、维护较方便，进入门槛相对较低；在激光加工系统中，半导体激光器成本占比高，中低功率材料加工企业具有较高的替代意愿，也是国产器件的突破口。在这一过程中，还可以进一步培育企业，培养人才。

最后，挖掘已有技术的应用潜力。对于成熟的或者将近成熟的一些半导体激光器，如新体制的垂直外腔面发射激光器等，从实际应用出发，进行开在中长期，主要目标是实现高端半导体激光器的国产化和自主发展，需要国家层面更多的参与甚至主导，必要时可以采用政策扶植，资金和专项经费倾斜等手段。

（1）充分利用我国在应用端的巨大优势，鼓励IDM 模式公司或者公司群的建立。可以采用引导成立多个具有稳定合作关系的纵向企业集团的方式，实现器件开发和应用的反馈闭环，促进前端核心材料和器件的成熟。

（2）下大力气鼓励和引导国产器件的应用。采用国家投资或补贴的方式，建立完整的国产化替代示范平台，在实际应用条件下实现国产化核心器件评估；在此基础上以政策倾斜、财政补贴等方式鼓励国产器件应用。

（3）建立具有芯片代工厂功能的全自主的、完整的新技术开发通用平台，以对技术水平要求高的新体制微纳激光器为牵引，同时满足无生产线企业的激光器制备需求，提升综合能力。尤其要弥补短板，掌握核心技术和关键工艺，避免“卡脖子”问题，为新型半导体激光器的发展提供技术保障。

（4）鼓励新概念、新器件，提前布局，掌握先发优势。开展包括拓扑绝缘体激光器等新体制半导体激光器及其相应工艺的研究；鼓励跨行业和前后端交流，在适当阶段由新概念开发转入针对具体应用的技术开发。