现代光电子的发展现状、特征和趋势

第34卷第5期VoL34No.5闯北工业大学学报JOURNALOFHEBEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY文章编号ω7-2373(2005)05-∞01-07现代光电子的发展现状、特征和趋势康志龙辛国锋陈国鹰谢红云32005年IO月October2005(1.河北工业大学信息工程学院，天津300130;2.中国科学院七海光学精密机械研究所，上海201800;3.中国科学院北京半导体研究所，北京100083)摘要z系统地介绍了光电子基础理论研究、光电子器件的特征、应用现状以及发展趋势.详细地介绍了几种半导体激光器、Si基光电器件与尤电集成芯片的发展现状和趋势.关键词:光电子器件;半导体激光器;量子阱;量子线;量子点中固分类号TN20文献标识码ADevelopmentStatus,CharacteristicandTrendsoftheModemOptoelectronicsKANGZhi-long1,XINGuo-feng2,CHENGuo-ying1,XIEHong-yun3(1.SchoolofInformationEngineering,HebeiUniversityofTechnolo町，Tianjin300130,China;2.ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China;3.BeijingInstituteofSemiconductor,ChineseAcademyofScienc喝玩Beijing100083,China)Abstract:Thebasictheoreticalstudyofoptoelectronics,thecharacteristics,applicationactualityandthedevelopmental仕endsoftheoptoelectronicaldevicesaresystemîcîntroduced.Thedevelopmentalactualityandtreodsofseveralkindsofsemicooductorlasers,optoelectronicaldevicesbased00Siandoptoelectronicalintegratedchiparepresentedindetail.Keywords:optoelectronicaldevice;semiconductorlaserõquantumwellõquanωmlineõquan阳mdot。引言21世纪，信息产业将是信息经济时代的支柱产业.如果说微电子技术推动了计算机、因特网、光纤通信为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪，那么随着信息技术的发展，大容量光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用.可以断言，光电子技术将继微电子技术之后，再次推动人类科学技术的发展.当今信息系统的显著特征是信息的采集、存取、处理和应用的高速化，宽带化以及大容量化.在这样的信息系统中，关键器件己非光电子器件莫属.光电子器件是典型的高技术产品，今后的发展也必然以高技术为后盾阳光电子器件的发展趋势可用两个方面概括:一方面是继续通过能带工程使各种新型的人构改性半导体材料如异质结构、量子阱、量子线、量子点和超晶格材料等可望实现[H]并用以研制高性能的器件.另-方面，也更为关键的是要像微电子一样实现集成化.目前，将功能不同的若干光电子器件通过内部光波导互连，优化集成在一个芯片上的光子集成芯片(PIC)正在迅速发展.下一步将是研制光子集成芯片和微电子集成芯片的共融体即光电子集成芯片(OELC).这将突破分立器件的功能局限，使芯片的功能提高、功耗降低和可靠性极大改善.收稿日期2005-01-31基金项目:国家自然科学基金资助项目(60476025);河北省自然科学基金资助项目(603080，F2005∞0084);河北省科技攻关重点项目(03213540D)作者简介:康志龙0971-)，男(汉族)，助理研究员-2河北工业大学学报第34卷1半导体激光器的发展及其应用前景当前，国际上对形形色色的光电子器件的研究如火如荼，各种新型的器件更是层出不穷.激光器、发光二极管、光探测器、光双稳器件、光放大器以及各种特性的光纤等光电子器件每天都在变化与发展之中.其中，半导体激光器是最为活跃，增长最快的一类.半导体激光器(LD)以其体积小、效率高、寿命长而在光纤通信、激光音像等系统中广为应用，己成为光产业中的重要支柱.然而，LD在输出功率、波长覆盖等方面曾经不如其他激光器.近年来，LD在提高输出功率、波长向可见光迈进以及向远红外扩展等方面有了长足的进展.在非光纤通信方面用的激光器的进展更为突出.一方面，通信类半导体光电子器件已经很成熟，基本能满足各类光纤通信系统的需要;另一方面，光盘存贮、激光二极管泵浦固体激光器、激光医疗等应用剌激了可见光(包括蓝光)LD、大功率LD及其列阵的进展.波长为405.83nrn的InGaN蓝光LD，连续功率高达8W的无AILD和103W的无AILD列阵，功率400mW的单模光纤搞合的980nrnDFBLD和功率20W的980nrnDFBLD列阵都已问世.更为引人注目的就是基于超晶格量子阱的优异性能而迅速发展起来的量子阱、量子线和量子点大功率激光器.1.1几种新型激光器的发展趋势1.1.1有源区无铝的大功率激光器和列阵由于YAG固体激光器、掺Er光纤放大器、激光医疗等应用的需要，0.81~0.98μm波长范围的大功率激光二极管及列阵发展迅速.在GaAs衬底上生长晶恪匹配的InGaAsP，取代原来的AIGaAs，而且已显示出了许多优越性(a)灾变性光学镜面损伤(COMD)的功率密度增大了两倍多，在功率密度比AIGaAs激光器增大两倍的情况下，可望获得长期稳定工作;(b)可以采用应变补偿来改善长期工作的可靠性(c)由于没有Al，器件结构的电阻比有Al器件的更低，而热导率却更高;(ωInGaAsP与氧的反应比与AIGaAs的低，这大大促进了大功率单模折射率波导lnGaAsP激光器的迅速开发.下面是最近几种无铝的大功率激光二极管和列阵的研究成果.1)列阵是提高输出功率的有效途径，采用MBE生长GaInAsP/GalnP应变单量子阱结构，制成808m波长列阵棒.腔长lmm，棒宽1cm，由20个发射单元组成，每个发射单元条宽150阳，周期为500).1111，因而填充因子为30%.芯片以In焊料焊接在铜热沉上，热阻为0.42K1W.在250C下，这种列阵连续工作的外量子效率为30%，在120A的电流驱动下CW输出103W.电流在10A~60A范围内，外量子效率为1.07W/A.光功率为60W时，电光功率转换效率达50%.可以看出，电流为120A时每个宽为150阳的发射器的输出功率为5.2W，对应的功率密度为8.6mW/cm2，尚未观测到任何灾变性的退化.进一步将工作电流加至140A，外量子效率降至约17%，这是由于n面电极所用的低温焊料的热学退化所致.由此可看出，有、源区不含Al的激光器列阵己具有很好的性能，同含Al的激光器列阵协川相比，所有最好的特性都是可比拟的.2)波长为0.81阳的InGaAsPIInGaPIIn-GaAsP激光器，有源区为无Al的InGaAs，光限制和载流子限制层分别为InGaAlP和I而aP层.采用这种结构，腔长为1.2mm的器件的阔值电流密度为260Alcm2,斜度效率高达1W/A，串联电阻仅为0.14O.在200C下100).1111条宽的器件获得了5W的连续光功率输出.且其可靠性也很高.在光限制层InGaAsP上再加上AIGaAs电子势垒层，可进一步抑制电子的泄漏，使得器件的特征温度值由120K增至176K.这是波长为0.81μm的激光器迄今报道的最高特征温度值.1.1.2量子级耳其激光器量子阱级联激光器是利用半导体超晶恪性质新原理的半导体激光器.在量子级联激光器中的光跃迁是由量于限制CStark)效应引起的导带中分立子能带之间的电子从高能态向低能态的跃迁引起的.它给人们带来了新的物理概念[1，2]第5期康志龙，等t现代光电子的发展现状、特征和趋势31)电场调谐的级联激光器此类激光器，通过Stark效应，可以用势场来调谐发射波长.这是一种基于与光子相关的隧道跃迁(斜的跃迂)的可调谐激光器.这种器件的有源区由35个周期组成，每个周期的结构为(a)由短周期Al048111ü.52As/Gaod11ü.S3As超晶恪膺晶构成的组分递变的不规则四边形的势阱，厚25.5nm;(b)4.4nm厚的G也47111ü.53As量子阱(c)厚度分别为3.3nm和3.5nm的两个Alo.48I11ü.52As势垒.在这一结构中，受激发射发生在宽的注入器的基态和邻近的周期较低的激发态之间.由于受激发射跃迁的上级也是一个周期的基态，因此总能保持粒子数反转，无须考虑温度的影响.与光子相关的跃迁电荧光发射波长能够通过势场加以调谐，当电流密度由0.1kAlcm2增至6.5队Icm2时，发射波长由约8μm漂移至约5.8阳·美国卓以和博士领导的小组采用这种结构制成了长3阳、宽11阳的激光器，可连续工作至80K.在10K下阔值电流为0.65A,60K下光功率达40mW.脉冲工作温度可达220K，还可以将该种器件作成双段式，即将其顶端电极金属分成两段，分别注入电流，从而调谐输出波长，调谐范围为6.2~6.61ffi1，对应调谐t皮数为100cm-1.2)大功率微带超晶格红外激光器卓以和博士等进行的这-研究获得了突破性进展，格外引入注目.在多阶级联的结构中，掺杂的超品格有源区与掺杂的载流子注入层交替构成这种激光器.在超晶格的第一激发态子能带和基态的子能带之间产生受激发射，其波长由两个微带间的带隙(微带隙)所决定.这种激光器与上述的量子级联激光器的重要区别在于:量子级联激光器中的光学跃迁发生在量子阱中分立的微带之间，而这种新型激光器的光学跃迁发生在强烈捐合的超晶格的微能带之间.其优点在于宽的微带(100meV)具有高的电流运载能力和高的注入效率，这就有可能获得大功率输出.该器件由25级组成，每级由8个周期的AlInAs(Inm)/GalnAs(4.3nm)的超晶格有源区和42.4nm厚的AlInAs/GalnAs组分递变的注入层组成.上、下限制层分别为240lffi1厚的n-AIInAs和n-InP衬底.器件长1.9mm，宽18阳·在脉宽80ns、重复频率30kHz的脉冲条件下，5K时的峰值功率约1W;80K时为800MW;210K时为200mW，峰值波长为7.7μm.这是迄今任何中红外半导体激光器所获得的最高输出功率.在900~210K的范围内，测得丑高达160K.光谱测量表明，模式间隔接近理论值，峰值波长7.7lffi1时与理论计算的超晶格微带隙(158meV)对应的波长很相近.1.1.3垂直腔面发射激光器(VCSEL)[日，141垂直场面发射激光器作为一种光电子源.它具有体积小、重量轻、转化效率高、省电等优点外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，因此便于与其它器件实现单片光电子集成.而且随着半导体激光器激射波长范围的扩展，光谱特性的改善，I司值电流的降低，量子转换效率的提高，输出光功率的增加，可靠性及使用寿命的提高，是用于光纤通信系统的潜在低成本器件.在磁-光光盘、相干探测系统等应用中，人们对VCSEL的偏振特性非常感兴趣.另外，在二维应用中，也必须对VCSEL阵列的偏振加以控制.利用(nll)定向的QW的光学各向异性，可以有效地控制VCSEL的偏振模式.日本ATR通信研究所在(311)A衬底上制备VCSEL，其窗口为25阳，800C下阔值低达680队，对应的Jth为55安I(厘米2.阱)，可工作至150oC，其偏振特性如图3所示.在整个工作电流范围内，[332]偏振模式非常稳定，而[110]模式被