激光器芯片工作原理、分類及材料分析

激光器芯片應用于半導體激光器中，實現電信號 向光信號的轉換，將電信號蘊含的信息通過激光輸出；探測器芯片則在探測器中不可或 缺，實現光信號向電信號的轉換。

1.工作原理：電激勵為泵浦源，半導體為增益介質，輸出激光

激光的發出有賴于泵浦源、增益介質、諧振腔三大部件。激光的輸出需要外界提供 能量，泵浦源（又稱激勵源）即負責向增益介質中的粒子提供能量，常見的泵浦方式有 電泵浦、光學泵浦、核能泵浦等；增益介質用來提供向高能級躍遷的粒子，常用材料有 氖氣、有機染料、紅寶石、半導體、光纖等；諧振腔指使光波在其中來回反射從而提供 光能反饋的空腔，其作用是使腔內的光子具有一致的頻率、相位和運行方向，使激光具 有良好的方向和相干性，同時還能放大受激輻射的強度。 激光器芯片將電激勵作為泵浦源，以半導體材料為增益介質，通過諧振腔選模放大， 進而輸出激光，完成光電轉換。

2.激光器芯片分類：諧振腔制造工藝差異，適用不同場景

按照諧振腔制造工藝差異，激光器光芯片可分為邊發射激光器芯片（EEL）與面發 射激光器芯片（VCSEL）兩類。EEL 在芯片兩側鍍光學膜形成諧振腔，光子經諧振腔選 模放大后，將沿平行于襯底表面的方向形成激光；VCSEL 在芯片上下兩面鍍光學膜形 成諧振腔，由于諧振腔與襯底垂直，光子經選模放大后將垂直于芯片表面形成激光。EEL 與 VCSEL 各具優勢，EEL 的輸出功率、電光轉化效率更高，而 VCSEL 具有閾值電流 低、單波長工作穩定、可高效調制、易二維集成、無腔面閾值損傷、制造成本低等優點。

EEL 進一步分為 FP/DFB/EML 三類，應用場景相異。FP、DFB 為獨立器件，通過 控制電流的有無來調制信息輸出激光，故被稱為直接調制激光器芯片（DML）。在 DML 中，FP 激光器誕生較早，主要用于低速率短距離傳輸；DFB 在 FP 激光器的基礎上發展 而來，采用光柵濾光器件實現單縱模輸出，主要用于高速中長距離傳輸。DML 通過調 制注入電流來實現信號調制，然而注入電流的大小會改變激光器有源區的折射率，造成 波長漂移（啁啾）從而產生色散，限制了傳輸距離；同時，DML 帶寬有限，調制電流大 時激光器容易飽和，難以實現較高的消光比。 電吸收調制激光器芯片（EML）較好地緩解了啁啾色散問題，它由 EAM 電吸收調制器與 DFB 激光器集成而來，信號傳輸質量高，易實現高速率長距離的傳輸，不過價 格與能耗相對較高。

3.激光器芯片材料：三五族化合物為主流，光學特性較硅更優

三五族化合物泛指由元素周期表的三族與五族元素構成的合金化合物，種類豐富， 如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、砷化銦鎵（InGaAs），根據所含元素種類數又可分為 二元化合物如 InP，三元化合物如 1−，四元及更高化合物等。硅是目前工業中 最主要的半導體材料，廣泛用于集成電路，但在光電器件領域，三五族化合物卻因具有 更好的光學特性而更為重要。 三五族化合物具有直接帶隙，進而電子在高低能級間躍遷時效率更高，進而使芯片 輸出激光的效率更高。帶隙是電子從低能級（價帶）躍遷高能級（導帶）所需吸收的最 小能量，對應的是價帶頂部與能帶底部的能量差距。直接帶隙是指在能量-波矢圖中，元素電子的價帶底與導帶頂對應的波矢相同，反之，若二者波矢有異，則稱為間接帶隙。

對于直接帶隙結構，電子在價帶與導帶間的躍遷只需滿足能量守恒；對于間接帶隙 結構，由于價帶頂與導帶底的波矢不同，需在水平方向施加動量方可使電子完成躍遷， 也即：電子躍遷過程涉及聲子的吸收與發射——一方面，由低向高能級的躍遷必須要有 聲子參與，這導致躍遷發生的概率降低，間接帶隙結構發生電子躍遷的概率約為直接間 隙結構的 1/1000；另一方面，躍遷釋放的大部分能量會轉換為聲子而非光子。此二因素 決定了直接間隙結構中電子在高低能級間的躍遷效率更高。 如前所述，對于激光器芯片而言，輸出激光的關鍵在于“半導體中的電子吸收能量， 由低能級向高能級躍遷—電子由不穩定的高能級回落至低能級，在這一過程中以光子形 式釋放能量”，可見，電子躍遷的效率是激光輸出效率的本源，故直接帶隙結構的半導 體更適用于制作激光器芯片。三五族化合物大都為直接間隙半導體材料，如 GaAs、GaN、 InP 等，少部分三五族化合物如 GaP 及 Ge、Si 則屬于間接帶隙結構，這是 GaAs、InP 等三五族化合物在激光器芯片制備中應用普遍的基礎。

三五族化合物可形成三元及以上化合物作為外延材料，通過調整各組分元素的比例, 可獲得期望的激光輸出波長，滿足多樣化的場景需求。激光器芯片輸出的激光源于從導 帶層回落至價帶層時釋放的光子，故激光的波長主要由釋放光子的波長決定，而光子的 波長與光子的頻率進而光子的能量成反比，故輸出激光的波長將主要由“電子由導帶底 回落至價帶頂釋放的能量大小”決定，即半導體材料的帶隙。對于 Si、Ge 而言，除電 子躍遷效率較低外，它們為單一材料，帶隙固定，故只能發出單一波長的光；對三五族 化合物而言，單個化合物的帶隙同樣固定，但它們可按照不同比例進行混合，形成不同 的三元及以上化合物，由此可得多種帶隙。需指出，光芯片的襯底通常還是二元化合物， 三元及以上化合物一般作為從襯底上生長出的外延材料。

三五族化合物中，InP 與 GaAs 兩類材料在激光器光芯片襯底中居于主流。GaAs 是目前研究得最成熟、生產量最大的化合物半導體材料，具有電子遷移率高、禁帶寬度 大等優點，適合于制造高頻、高速的器件與電路；InP 則具有高電光轉換效率與高電子 遷移率、抗輻射等品質，二者各具優勢。前述 VCSEL 面發射激光器芯片主要以 GaAs 材 料為襯底，而 FP、DFB、EML 三類邊發射激光器芯片主要以 InP 材料為襯底。