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，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)，通過負反饋調(diào)節(jié)實時控制驅(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?。在脈沖驅(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 輸出光束的能量強度較大［1］。因此，研制具有較高技術(shù)指標要求（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，可增強半導(dǎo)體激光器的各項性能指標，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輸出光功率小，激光器多管芯組合雖能實現(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 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 121， Q 開關(guān)在頻率 1～4 GHz 連續(xù)可調(diào)。2014 年，中國科學院與英國鄧迪大學［14］聯(lián)合研制了針對 760 nm 波段的第一個半導(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)時間大約低至4 ps，在激光腔長度為 1．8 nm、1．5 nm 時，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集成互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝，設(shè)計了 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 個子電路組成。其中，振蕩器產(chǎn)生的初始方波與延時方波進行異或，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，華東師范大學和東京大學［16］采用 40 nm微 電 子 工 藝 技 術(shù)， 聯(lián) 合 設(shè) 計 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 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，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進行了測試， 該半導(dǎo)體激光器能實現(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)計了一種高功率、高強度和單芯片集成的 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 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)時間。2019 年，中國科學技術(shù)大學的 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，重慶大學的劉等人［23］采 用 NPN－PNP互補隔離法將場效應(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)進行了改進。2011 年，中國科學院上海光學精密機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?？刂齐娫?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到上百伏，功耗大的缺點限制了其發(fā)展應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，天津工業(yè)大學的劉旭升等人［3］對此行了改進， 通過采用多個雪崩晶體管級聯(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)動緩沖鏈實現(xiàn)快速切換，獲得了脈沖峰值為 1 A、上升時間小于 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。

為了實現(xiàn)脈寬更窄的光脈沖。2010 年，中國電子科技集團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 個雙極型三極管與 1 個場效應(yīng)管組成，通過雙極型三極管產(chǎn)生的負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，中國科學院西安光學精密機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，為了實現(xiàn)更大電流的輸出，北京大學的陳彥超等人［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，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 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 75 W的脈沖電流。若通過改進脈沖發(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，林肯實驗室的 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，從而實現(xiàn)窄的光譜線寬發(fā)射，同時對激光器施加預(yù)偏置，達到了抑制法布里－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，北京交通大學光信息科學與技術(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 180 mW，脈 沖 峰 值 輸 出 功 率 可 達160 mW，脈寬和激光功率實現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)。

2020 年，中國電子科技集團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，實現(xiàn)了 16 線單獨控制，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驅(qū)動電源特性的 2 種方式實現(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往往存在功耗高的問題，仍需進一步研究和解決。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。