銻化物半導體激光器是目前能夠覆蓋中紅外波段的主要手段。銻化物半導體激光器經過多年的研究和發展，已經逐漸走向成熟。由于在這個波段具有很多氣體分子的吸收峰以及具有較高透過率的大氣窗口，使得中紅外銻化物半導體激光器在氣體檢測、材料加工以及自由空間光通信等領域具有重要的作用。

目前，國際上GaSb基半導體激光器已經開始從實驗室走向產品化，國內加快開展銻化物半導體激光器研究的重要性和緊迫性不言而喻。據麥姆斯咨詢報道，來自中國科學院半導體研究所、中國電子科技集團公司第四十一研究所等機構的科研人員圍繞銻化物半導體激光器的研究進展進行了綜述分析，相關研究內容發表在《光電技術及應用》期刊。

銻化物半導體激光器原理

銻化物激光器通常直接通過分子束外延（MBE）制備于GaSb襯底上，所使用的材料為GaSb、AlSb、InAs等二元化合物及由此衍生的三元、四元化合物。典型的銻化物半導體激光器包含限制層、波導層、有源區、電極接觸層。激光器上下限制層的作用是憑借其與波導層之間的導帶、價帶帶階差對載流子實現空間上的約束。波導層則來源于SCH的設計，憑借著高于限制層的折射率可以抑制光場進入限制層與襯底，從而實現降低器件內損耗的目的。有源區即發生受激輻射的區域，是使得激光器工作的核心區域。接觸層用于與外部電極形成歐姆接觸提升激光器的效率，同時也起著防止內部結構被氧化的作用。

銻化物半導體激光器技術特點

目前銻化物半導體激光器主要包括Ⅰ型量子阱激光器、Ⅰ型量子阱級聯激光器以及Ⅱ型的帶間級聯激光器。其中Ⅰ型量子阱激光器以及Ⅰ型量子阱級聯激光器的主要優勢波段在1.8~3.5 μm波段，其具有瓦級的室溫連續輸出功率，其中在2 μm附近已經可以實現接近2 W的大功率輸出，而在3 μm附近已經可以實現接近1 W的大功率輸出。這種Ⅰ型的激光器由于結構較為簡單，性能穩定，可以具有較高的光電轉換效率和工作溫度。此外，為了方便集成到光學系統上，高光束質量的GaSb基單橫模半導體激光器已經可以實現接近500 mW的大功率輸出。此外，銻化物分布式反饋（DFB）激光器也已經實現了邊模抑制比大于50 dB的大功率輸出。對于Ⅱ類帶間級聯激光器，目前已經成為覆蓋3~4 μm波段的主要手段，其可以實現3.5 μm及以上692 mW的大功率輸出。其波長目前已經可以實現室溫連續工作到2.9~6.2 μm，低溫已經可以實現接近10 μm的激光輸出。

GaSb基Ⅰ型量子阱激光器能帶示意圖

GaSb基Ⅰ型量子阱級聯激光器能帶示意圖

GaSb基Ⅱ類量子阱帶間級聯激光器的有源區能帶示意圖

銻化物半導體激光器在氣體檢測、自由空間光通信等領域具有重要的作用。

銻化物半導體激光器應用于氣體檢測

紅外波段包含了大量氣體分子的特征振動躍遷吸收譜，在該波段發展的可調諧半導體激光器吸收光譜技術（TDLAS）便成了氣體檢測的理想方案。TDLAS利用可調諧半導體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性實現對分子的單個或幾個距離很近很難分辨的吸收線的測量，具有很高的靈敏度和很低的檢測限。同時為了消除譜線線型和抑制背景噪聲，需要入射光可調諧且窄線寬，能達到這些要求的只有工作在中紅外波段的高性能銻化物半導體激光器，使用這種中紅外激光器的氣體檢測一般都能達到ppb（十億分之一）量級的濃度。

銻化物半導體激光器應用于自由空間光通信

自由空間光通信屬于光無線通信的一類，使用紅外光作為數據的載體，可以實現兩個點之間長達數公里的高速通信，適用于保密通信、城域網擴展、局域網互聯、應急通信等領域。目前常用的自由空間光通信系統主要采用750~1600 nm的近紅外激光器作為光源，此類激光器抵抗大氣擾動的能力較弱。工作于2~5 μm的中紅外銻化物激光器具有更大的優勢：更長的波長可以減弱分子和粒子導致的光損耗；在惡劣天氣下的性能降低較小；3.5 μm附近波長大氣背景噪聲在3.5 μm處于明顯的低值；對于人眼更加安全。目前工作于中紅外大氣透明窗口的銻化物ICL光源主要在實驗室研究階段。

總而言之，相較于GaAs、InP等發展較為成熟的Ⅲ-Ⅴ光電子材料體系，銻化物材料有其獨特的優勢。基于這些優勢，銻化物半導體激光器未來有望朝向高光束質量、更長波長、更大功率和激光高速調制等方向進一步發展。

審核編輯：劉清