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引言
半導(dǎo)體激光器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、光/電轉(zhuǎn)換效率高和易于調(diào)制等特點(diǎn)，在民用和軍用方面有較好的應(yīng)用前景[1-5]。目前，半導(dǎo)體激光器在通信、測 距、加工和醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6]。隨著半導(dǎo)體光電子技術(shù)的發(fā)展， 各行業(yè)對半導(dǎo)體激光器的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，對其性能的要求也越來越高。
半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動源分連續(xù)型驅(qū) 動和脈沖驅(qū)動 2 種模式。連續(xù)型驅(qū)動模式一般在激光二極管（LD）的閾值條件附近設(shè)置直流偏置，調(diào)節(jié)驅(qū)動電流控制其輸出，在此過程中必須為 LD 增設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)，通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)控制驅(qū)動電流，確保 LD 穩(wěn)定地工作；脈沖驅(qū)動模式中的驅(qū)動源以特定脈寬、 頻率的信號驅(qū)動LD，對于脈沖電流紋波要求不高的場景，一般無需增設(shè)上述反饋網(wǎng)絡(luò)。因此，脈沖驅(qū)動模式更具發(fā)展?jié)摿ΑＴ诿}沖驅(qū)動模式下， 由于驅(qū)動過程中只在 PN 結(jié)產(chǎn)生微弱的熱效應(yīng)，故在半導(dǎo)體激光器輸出功率較低的情況下可以不為其增設(shè)溫控系統(tǒng)。與連續(xù)驅(qū)動模式相比， 脈沖驅(qū)動模式下的 LD 能承受的脈沖信號幅值較高，導(dǎo)致 LD 輸出光束的能量強(qiáng)度較大[1]。因此，研制具有較高技術(shù)指標(biāo)要求（如研制脈沖參數(shù)、輸出功率和重復(fù)頻率等） 的窄脈沖半導(dǎo)體激光器具有重要的意義。本文綜述半導(dǎo)體脈沖激光器的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，并對半導(dǎo)體激光器性能的提升方式進(jìn)行介紹。
半導(dǎo)體脈沖激光器的發(fā)展與研究現(xiàn)狀
目前， 半導(dǎo)體激光器性能的提升方式主要有2種：一種是優(yōu)化半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝；另一種是提升半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源特性[9]。
1.1 半導(dǎo)體脈沖激光器在新材料、 新結(jié)構(gòu)和新工藝技術(shù)方面的發(fā)展
改良激光器與其驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化工藝技術(shù)和提升半導(dǎo)體材料的性能，可增強(qiáng)半導(dǎo)體激光器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，尤其是新型半導(dǎo)體材料的不斷創(chuàng)新使其性能提升更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>
改進(jìn)激光器管芯結(jié)構(gòu)，能有效提高激光器輸出功率。2009 年，中國科學(xué)院陳彥超等人[11]將驅(qū)動電路與激光器管芯集成封裝成整體的激光器模塊，得到了脈寬為 7 ns、 最大光功率為 176 W 的大功率窄脈沖，其多管芯陣列排序示意圖如圖 1 所示。單管半導(dǎo)體激光器作為窄脈沖激光光源時(shí)輸出光功率小，激光器多管芯組合雖能實(shí)現(xiàn)大功率輸出，但其結(jié)構(gòu)等效電路的參數(shù)提取困難。針對這一問題，2012 年，長春理工大學(xué)辛德勝等人 [12] 提出了提取驅(qū)動電路參數(shù)的一種簡便方法——基 于 外 特 性 測 量 法，并 應(yīng) 用 此 方 法 設(shè) 計(jì) 了 一種板載結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路， 得到脈寬為8.3 ns、輸出功率為 180 W 的光脈沖。
近年來，半導(dǎo)體鎖模激光器在結(jié)構(gòu)方面的研究也取得進(jìn)展。2012 年，STRAIN M J 等人[13]提出了一種緊湊 的 半 導(dǎo) 體 鎖 模 激 光 器（DBR MLL），其 幾 何 結(jié) 構(gòu) 如圖 2 所示，該結(jié)構(gòu)主要由 3 個(gè)部分組成：可飽和吸收器（SA）、增益（GS）和分布式布喇格反射器（DBR）。采 用 DBR 的頻譜濾波在各種驅(qū)動條件下產(chǎn)生 Q 開關(guān)鎖模，表現(xiàn)出了強(qiáng)大的無源開關(guān)鎖模能力。鎖模脈沖寬度約為 3.5 ps， 脈沖峰值功率與平均功率比高達(dá) 121， Q 開關(guān)在頻率 1~4 GHz 連續(xù)可調(diào)。2014 年，中國科學(xué)院與英國鄧迪大學(xué)[14]聯(lián)合研制了針對 760 nm 波段的第一個(gè)半導(dǎo)體鎖模超短脈沖激光器——基于 AlGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)的多節(jié) LD 被動鎖模， 該激光器產(chǎn)生波段大約為 766 nm 的脈沖，其脈沖持續(xù)時(shí)間大約低至4 ps，在激光腔長度為 1.8 nm、1.5 nm 時(shí)，其對應(yīng)的脈沖重復(fù)率分別為 19.4 GHz、23.2 GHz。
隨著加工技術(shù)的發(fā)展，工藝精度不斷提高，有利于提升激光器性能。2016 年，HE Y 等人[15]采取 0.13 μm集成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝，設(shè)計(jì)了 全集成 CMOS 驅(qū)動電路， 用超短電流脈沖直接調(diào)制 LD的方法來生成皮秒激光脈沖，其模具顯微圖如圖 3 所 示。該 CMOS 驅(qū)動電路由壓控環(huán)形振蕩器、壓控延遲線、異或電路和電流源 4 個(gè)子電路組成。其中，振蕩器產(chǎn)生的初始方波與延時(shí)方波進(jìn)行異或，異或電路因此產(chǎn)生超短電流脈沖；再將 CMOS 芯片封裝后與印制電路板（PCB）上的 LD 互連，有效 降低了寄 生參數(shù)的影響。此激光源的輸出光脈沖的脈寬為 151 ps，重復(fù)頻率為 5.3 MHz，峰值功率為 6.4 mW。
2017 年，華東師范大學(xué)和東京大學(xué)[16]采用 40 nm微 電 子 工 藝 技 術(shù)， 聯(lián) 合 設(shè) 計(jì) 了 一 種 低 成 本 的 集 成CMOS 脈沖發(fā)生器， 通過外圍電路將 CMOS 脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)換為最小脈寬為 80 ps 且可調(diào)的電動脈沖管，其可調(diào)諧輸出電壓為 0.9~1.5 V，寬調(diào)諧范圍可達(dá) 270 ns。根據(jù)激光系統(tǒng)的增益開光特性， 用此電脈沖直接驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，在電脈沖寬度調(diào)諧到大約為 1.5 ns 時(shí)，激 光 器 能 產(chǎn) 生 脈 寬 為 100 ps 的 光 脈 沖 。2016 年 ，HUIKARI J 等人[17]對活性層厚度與約束因子之比 da Гa約為 3 μm、 條寬/腔長為 30 μm/3 mm 的體量子阱 LD進(jìn)行了測試， 該半導(dǎo)體激光器能實(shí)現(xiàn)脈沖能量為 1nJ量級、脈沖長度為100 ps、脈沖幅值為 6~8 A 和持續(xù)時(shí)間為 1 ns 的電流脈沖。2018 年，TAJFAR A 等人[18]采用160 nm 的單片集成工藝（BCD）技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高功率、高強(qiáng)度和單芯片集成的 LD 驅(qū)動器，該半導(dǎo)體激光驅(qū)動器能產(chǎn)生脈寬小于 1 ns、 重復(fù)頻率為 40 MHz 和峰值電流高達(dá) 20 A，且完全可編程的電脈沖；另外，他們還通過嵌入電流數(shù)/模轉(zhuǎn)換（DAC）的方式，為 LD 提供其所需的閾值電流，改善 LD 的響應(yīng)時(shí)間。2019 年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的 FENG B 等人 [19] 提出了一種采用130 nm CMOS 技術(shù)的可調(diào)幅度和脈寬的激光源驅(qū)動器，該驅(qū)動器能生成可調(diào)脈寬為 300 ps~3.8 ns、峰值電流為 70 mA 以及重復(fù)頻率為 625 Mb/s 的電流脈沖。
1.2 半導(dǎo)體脈沖激光器在驅(qū)動電源性能提升方面的發(fā)展
提升半導(dǎo)體脈沖激光器驅(qū)動電源特 性的方法主要有窄脈沖疊加直流偏置、儲能元件的應(yīng)用、高速開關(guān)的級聯(lián)或陣列、可編程邏輯器件的應(yīng)用以及器件的選型與布局創(chuàng)新等方法。
1.2.1 窄脈沖疊加直流偏置法
早期，研究人員通過窄脈沖疊加直流偏置的增益開關(guān)方法獲得了超短脈沖。1997 年，天津大學(xué)的黃超等人[20]通過增益開關(guān)的方法產(chǎn)生了超短光脈沖，該系統(tǒng)輸出的光脈沖寬度達(dá)到了 ps 級別， 但系統(tǒng)過于復(fù)雜，輸出功率較低。2000 年，吉林大學(xué)的孫偉等人[21]采用窄電流脈沖疊加在直流偏置的增益開關(guān)方法使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生皮秒脈沖，通過增大微波功率的方式獲得更窄的脈沖，但功耗較高。
對于特定的電脈沖，激光器存在一最佳的直流偏置，若低于此偏置，激光器輸出功率降低、脈寬變寬；若高于此偏置，由于弛豫振蕩的影響，光脈沖會出現(xiàn)系列子脈沖，導(dǎo)致激光器輸出光脈沖失真[21-22]。由此可見，窄脈沖疊加直流偏置法雖然能獲得 ps 級別的超短脈沖，但需要在最佳偏置電流情況下才能獲得優(yōu)良特性的光脈沖，有一定的局限性，且功耗高、輸出功率低以及系統(tǒng)復(fù)雜等問題限制了其發(fā)展。
1.2.2 儲能元件的應(yīng)用
1992 年，重慶大學(xué) 的 劉 ? 等 人[23]采 用 NPN-PNP互補(bǔ)隔離法將場效應(yīng)管的脈沖觸發(fā)信號壓窄，并選取合理的電容容值，根據(jù)電容快速充電/放電原理，使激光器輸出脈沖光，該驅(qū)動電路能得到脈寬為 50 ns、0~20 A 連續(xù)可調(diào)的驅(qū)動電流。2011 年，蘇州大學(xué)的陳祚海等人[24]選用高頻晶體管作為快速開關(guān)，采用電容和電感作為儲能電路， 電容儲存能量為 LD 受激輸出光脈沖，其調(diào)制頻率為 52 MHz、脈沖占空比小于 12.5%，輸出光功率為 15 mW。
此后，研究人員通過結(jié)合直流偏置的方法，對上述技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。2011 年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的楊燕等人[25]采用高速 CMOS 觸發(fā)脈沖驅(qū)動金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET），通過控制 MOSFET 的導(dǎo)通關(guān)斷和電容充電放電產(chǎn)生快速的電壓跳變，LD 受激輸出脈沖光， 其驅(qū)動電路主回路如圖 4 所示。控制電源 V1、電容和限流電阻的值即可控制脈沖的脈寬與峰值電流。驅(qū)動電路中電源 V2 用來提供偏置電流，通過改變偏置電流值達(dá)到平滑激光脈沖波形的目的。該驅(qū)動電路能得到脈寬為 2.2~4.9 ns、重復(fù)頻率為 0~50 kHz 和峰值電 流為 0~72 A 的電 脈沖。因此，通過合理地選擇儲能元件，能有效提升半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路的輸出功率，但缺點(diǎn)是脈沖寬度無法連續(xù)可調(diào)，該驅(qū)動電路的電源 V1 需幾百伏，功耗高。
1.2.3 高速開關(guān)的級聯(lián)或陣列
研究人員采取高速開關(guān)級聯(lián)或陣列的方法，有效解決了上述儲能元件雖能輸出大功率但脈寬不可調(diào)的問題。
2005 年，天津工業(yè)大學(xué)的朱娜等人[26]根據(jù)晶體管的雪崩效應(yīng)，通過兩級雪晶體管陣列，獲得了脈寬為7 ns、峰值電流為 6 A 的大電流窄脈沖，但此方法的供電電源電壓需達(dá)到上百伏，功耗大的缺點(diǎn)限制了其發(fā)展應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，天津工業(yè)大學(xué)的劉旭升等人[3]對此行了改進(jìn)， 通過采用多個(gè)雪崩晶體管級聯(lián)的方法，獲得了半峰全寬為 1.51 ns、峰值電流為 12.5 A 和重復(fù)頻率為 100 kHz 的大 電流窄脈沖， 但供電電源 采用400 V 高壓直流電源，仍然存在功耗大的問題。
2008 年，中國科學(xué)院的張壽棋等人[27]研制了脈寬為 10 ns、峰值電流為 20 A 和重復(fù)頻率為 1 MHz 的連續(xù)可調(diào)脈沖， 該驅(qū)動電路通過雙晶體管構(gòu)成推挽輸出，形成常開常閉門對管驅(qū)動高速 MOSFET，有效提高了帶負(fù)載能力，其供電電源電壓只需 30 V，解決了大電壓、大功耗的問題。為了獲得更低功耗的驅(qū)動電路，2009 年，NISSINEN J 等人[28]提出了一種 CMOS 電流脈沖 發(fā) 生器，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示，該發(fā)生器采用0.35 μm 的 CMOS 工藝， 由 4 個(gè)平行的 n 型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管組成，通過縮放驅(qū)動緩沖鏈實(shí)現(xiàn)快速切換，獲得了脈沖峰值為 1 A、上升時(shí)間小于 1 ns 和脈沖寬度為 2.5 ns 的高速電流脈沖。這些步進(jìn)式控制信號 和簡單的脈沖整型技術(shù)的供電電壓低至 5 V，功耗極低。
為了實(shí)現(xiàn)脈寬更窄的光脈沖。2010 年，中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所的辛耀平等人[29]將任意波形發(fā)生器作為脈沖信號發(fā)生源，電路上應(yīng)用單極差分放大器、源極跟隨器和高速電流開關(guān)，研制了脈寬小于 2 ns、 峰值輸出功率 mW 級的高速脈沖激光器。其中，高速電流開關(guān)由 4 個(gè)雙極型三極管與 1 個(gè)場效應(yīng)管組成，通過雙極型三極管產(chǎn)生的負(fù)電容能近似中和與其級聯(lián)的三極管的密勒電容， 提高了其頻率特性，極大縮短了開關(guān)時(shí)間。但是，電路級聯(lián)場效應(yīng)晶體管（FET）數(shù)量往往存在限制。2014 年，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的林平等人[30]突破了這一技術(shù)難題，將 33 路 GaAs FET 級聯(lián)設(shè)計(jì)成整形電脈沖產(chǎn)生電路，用電脈沖直接驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，可產(chǎn)生脈寬為10 ns、時(shí)域調(diào)節(jié)精度為 330 ps 的任意形狀整形激光脈沖。同年，為了實(shí)現(xiàn)更大電流的輸出，北京大學(xué)的陳彥超等人[31]以 MOSFET 為開關(guān)器件，將雪崩晶體管作為驅(qū)動器，設(shè)計(jì)了大電流窄脈沖的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路，該電路通過將多個(gè)晶體管構(gòu)成的脈沖發(fā)生單元并聯(lián)，滿足了大電流的要求，其中預(yù)觸發(fā)的設(shè)計(jì)解決了上述并聯(lián)方式帶來的脈寬寬度問題；該驅(qū)動電路在供電電壓為 195 V 條件下，能產(chǎn)生脈寬為 8.6 ns、脈沖幅值 為 124 A 的 脈 沖 電 流。針 對 上 述 大 電 壓 的 問 題，2019 年，中國科學(xué)院的 WEN S 等 人[32]提出了將 雪崩晶體管作為預(yù)開關(guān)器件的方法， 有效提高了輸出功率、減小了脈沖寬度和上升沿，該驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了小電壓供電、大功率輸出的功能。
1.2.4 可編程邏輯器件的應(yīng)用
隨著可編程器件的高速發(fā)展，由于其具有集成度高、靈活性大的特點(diǎn)，且觸發(fā)脈沖具有上升沿快、頻率高和脈寬窄且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)良性能，使得半導(dǎo)體脈沖激光器更具發(fā)展?jié)摿Α？删幊踢壿嬈骷膽?yīng)用，有效解決了功耗高的問題。部分可編程邏輯器件應(yīng)用于半導(dǎo)體脈沖激光器的發(fā)展現(xiàn)狀如表 1 所示。
1.2.5 器件選型和布局創(chuàng)新
隨著光電子器件的飛速發(fā)展，對芯片集成度的要求愈來愈高，高性能的器件與布局的創(chuàng)新成為半導(dǎo)體激光器驅(qū)動源特性提升的重要技術(shù)手段。
2010 年，天津津航技術(shù)物理研究所的王金花等人[39]通過提高電源電壓、PCB 合理布局布線、 元器件合理選擇以及開發(fā)激光器組件等方法，有效提升了激光發(fā)射的光脈沖前沿速度，得到了脈寬小于 5 ns、脈沖前沿小于 2 ns 和輸出功率大于 100 W 的大功率窄脈沖，在激光引信應(yīng)用中提高了其測距精度與抗云霧干擾能力。
2013 年，中國工程物理研究院的王衛(wèi)等人[40]為了穩(wěn)定驅(qū)動砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)，通過分析 MOSFET 的導(dǎo)通特 性，采 用 合 理 的 高 速 MOSFET 設(shè) 計(jì) 了 大 功 率 半 導(dǎo)體 激 光 器 窄 脈 沖 驅(qū) 動 電 路，為 激 光 器 提 供 了 脈 寬 為15 ns、 抖動均方根小于 200 ps 和輸出功率可達(dá) 75 W的脈沖電流。若通過改進(jìn)脈沖發(fā)生電路，得到優(yōu)質(zhì)的初始觸發(fā)脈沖，激光器能輸出脈寬更小的光脈沖。同 年，林肯實(shí)驗(yàn)室的 SIRIANI D F 等人[41]研制了瓦特級、納秒脈沖半導(dǎo)體激光器與集成驅(qū)動器，將激光器和低電 感 電 容 器 陣 列（LICA）直 接 焊 接 到 定 制 的 5 mm×5 mm 的 BiCMOS 驅(qū)動器芯片上，其激光驅(qū)動器配置如圖 6 所示。在 5 ns 的窗口中向平板耦合光波導(dǎo)激光器（SCOWL）提供大約為 10 A 的電流，從而產(chǎn)生大于1 W 的 高 功 率 光 脈 沖 。通 過 光 纖 布 喇 格 光 柵 保 持SCOWL 的穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)窄的光譜線寬發(fā)射，同時(shí)對激光器施加預(yù)偏置，達(dá)到了抑制法布里-珀羅（F-P）模式激射的目的，并在窄光譜帶寬內(nèi)產(chǎn)生矩形光脈沖。
2015 年，北京交通大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)研究所的李永亮等人[42]以 iC-HG 為驅(qū)動芯片設(shè)計(jì)了脈沖為980 nm 激光器的高性能驅(qū)動電路，該電路使激光器既能 輸 出 連 續(xù) 光 也 能 輸 出 脈 沖 光，脈 寬 最 小 為 10 ns，直 流 光 功 率 可 達(dá) 180 mW，脈 沖 峰 值 輸 出 功 率 可 達(dá)160 mW，脈寬和激光功率實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)。
2020 年，中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所的張厚博等人[5]研制了一種 16 線集成半導(dǎo)體窄脈沖激光器模塊， 該模塊主要由高密度排列的激光器芯片、集成驅(qū)動電路和光電混合集成封裝結(jié)構(gòu)組成。其中，窄脈沖驅(qū)動電路采用新型的 GaN 功率器件。與傳統(tǒng)的MOSFET 相比，該器件開關(guān)損耗、結(jié)電容等寄生參數(shù)較小，具有更快的開關(guān)速度。由于激光器芯片的高密度排列、集成封裝和高精度貼片工藝的使用，極大程度地減小了模塊的體積，實(shí)現(xiàn)了 16 線單獨(dú)控制，得到脈寬為 6 ns、高功率為 70 W、功耗低至 4 W 的高性能模塊。16 線模塊整體結(jié)構(gòu)圖與光脈沖波形如圖 7 所示。該模塊可朝著更多線束、更窄脈寬和更高功率的方向發(fā)展。
2 結(jié)束語
綜上所述，半導(dǎo)體脈沖激光器主要通過優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝及改進(jìn)驅(qū)動電源特性的 2 種方式實(shí)現(xiàn)性能提升。本文主要對這 2 種方式的半導(dǎo)體脈沖激光器發(fā)展情況進(jìn)行總結(jié)與分析，著重介紹了提升驅(qū)動電源特性 的 5 種方法。目 前，脈沖寬度 在 5~10 ns 的技術(shù)相對成熟，ps 級脈寬已成為該領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。但是，激光器在追求大功率的同時(shí)往往存在功耗高的問題，仍需進(jìn)一步研究和解決。隨著數(shù)字化與半導(dǎo)體光電子技術(shù)的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體脈沖激光器需求愈來愈大，因此研究大功率、窄脈沖、低功耗和小型化半導(dǎo)體脈沖激光器具有重大意義。
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