引言

半導體(ti) 激光器具有體(ti) 積小、結構簡單、功耗低、光/電轉換效率高和易於(yu) 調製等特點，在民用和軍(jun) 用方麵有較好的應用前景[1-5]。目前，半導體(ti) 激光器在通信、測 距、加工和醫療等領域應用廣泛[6]。隨著半導體(ti) 光電子技術的發展， 各行業(ye) 對半導體(ti) 激光器的需求愈發強烈，對其性能的要求也越來越高。

半導體(ti) 激光器的驅動源分連續型驅 動和脈衝(chong) 驅動 2 種模式。連續型驅動模式一般在激光二極管（LD）的閾值條件附近設置直流偏置，調節驅動電流控製其輸出，在此過程中必須為(wei) LD 增設反饋網絡，通過負反饋調節實時控製驅動電流，確保 LD 穩定地工作；脈衝(chong) 驅動模式中的驅動源以特定脈寬、 頻率的信號驅動LD，對於(yu) 脈衝(chong) 電流紋波要求不高的場景，一般無需增設上述反饋網絡。因此，脈衝(chong) 驅動模式更具發展潛力。在脈衝(chong) 驅動模式下， 由於(yu) 驅動過程中隻在 PN 結產(chan) 生微弱的熱效應，故在半導體(ti) 激光器輸出功率較低的情況下可以不為(wei) 其增設溫控係統。與(yu) 連續驅動模式相比， 脈衝(chong) 驅動模式下的 LD 能承受的脈衝(chong) 信號幅值較高，導致 LD 輸出光束的能量強度較大[1]。因此，研製具有較高技術指標要求（如研製脈衝(chong) 參數、輸出功率和重複頻率等） 的窄脈衝(chong) 半導體(ti) 激光器具有重要的意義(yi) 。本文綜述半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器的發展與(yu) 研究現狀，並對半導體(ti) 激光器性能的提升方式進行介紹。

半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器的發展與(yu) 研究現狀

目前， 半導體(ti) 激光器性能的提升方式主要有2種：一種是優(you) 化半導體(ti) 激光器結構、材料和加工工藝；另一種是提升半導體(ti) 激光器驅動電源特性[9]。

1.1 半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器在新材料、 新結構和新工藝技術方麵的發展

改良激光器與(yu) 其驅動電路的結構、優(you) 化工藝技術和提升半導體(ti) 材料的性能，可增強半導體(ti) 激光器的各項性能指標，尤其是新型半導體(ti) 材料的不斷創新使其性能提升更具發展潛力。

改進激光器管芯結構，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]將驅動電路與(yu) 激光器管芯集成封裝成整體(ti) 的激光器模塊，得到了脈寬為(wei) 7 ns、 最大光功率為(wei) 176 W 的大功率窄脈衝(chong) ，其多管芯陣列排序示意圖如圖 1 所示。單管半導體(ti) 激光器作為(wei) 窄脈衝(chong) 激光光源時輸出光功率小，激光器多管芯組合雖能實現大功率輸出，但其結構等效電路的參數提取困難。針對這一問題，2012 年，長春理工大學辛德勝等人 [12] 提出了提取驅動電路參數的一種簡便方法——基 於(yu) 外 特 性 測 量 法，並 應 用 此 方 法 設 計 了 一種板載結構的半導體(ti) 激光器驅動電路， 得到脈寬為(wei) 8.3 ns、輸出功率為(wei) 180 W 的光脈衝(chong) 。

近年來，半導體(ti) 鎖模激光器在結構方麵的研究也取得進展。2012 年，STRAIN M J 等人[13]提出了一種緊湊 的 半 導 體(ti) 鎖 模 激 光 器（DBR MLL），其 幾 何 結 構 如圖 2 所示，該結構主要由 3 個(ge) 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動條件下產(chan) 生 Q 開關(guan) 鎖模，表現出了強大的無源開關(guan) 鎖模能力。鎖模脈衝(chong) 寬度約為(wei) 3.5 ps， 脈衝(chong) 峰值功率與(yu) 平均功率比高達 121， Q 開關(guan) 在頻率 1~4 GHz 連續可調。2014 年，中國科學院與(yu) 英國鄧迪大學[14]聯合研製了針對 760 nm 波段的第一個(ge) 半導體(ti) 鎖模超短脈衝(chong) 激光器——基於(yu) AlGaAs多量子阱結構的多節 LD 被動鎖模， 該激光器產(chan) 生波段大約為(wei) 766 nm 的脈衝(chong) ，其脈衝(chong) 持續時間大約低至4 ps，在激光腔長度為(wei) 1.8 nm、1.5 nm 時，其對應的脈衝(chong) 重複率分別為(wei) 19.4 GHz、23.2 GHz。

隨著加工技術的發展，工藝精度不斷提高，有利於(yu) 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體(ti) （CMOS）工藝，設計了 全集成 CMOS 驅動電路， 用超短電流脈衝(chong) 直接調製 LD的方法來生成皮秒激光脈衝(chong) ，其模具顯微圖如圖 3 所 示。該 CMOS 驅動電路由壓控環形振蕩器、壓控延遲線、異或電路和電流源 4 個(ge) 子電路組成。其中，振蕩器產(chan) 生的初始方波與(yu) 延時方波進行異或，異或電路因此產(chan) 生超短電流脈衝(chong) ；再將 CMOS 芯片封裝後與(yu) 印製電路板（PCB）上的 LD 互連，有效 降低了寄 生參數的影響。此激光源的輸出光脈衝(chong) 的脈寬為(wei) 151 ps，重複頻率為(wei) 5.3 MHz，峰值功率為(wei) 6.4 mW。

2017 年，華東(dong) 師範大學和東(dong) 京大學[16]采用 40 nm微 電 子 工 藝 技 術， 聯 合 設 計 了 一 種 低 成 本 的 集 成CMOS 脈衝(chong) 發生器， 通過外圍電路將 CMOS 脈衝(chong) 發生器轉換為(wei) 最小脈寬為(wei) 80 ps 且可調的電動脈衝(chong) 管，其可調諧輸出電壓為(wei) 0.9~1.5 V，寬調諧範圍可達 270 ns。根據激光係統的增益開光特性， 用此電脈衝(chong) 直接驅動半導體(ti) 激光器，在電脈衝(chong) 寬度調諧到大約為(wei) 1.5 ns 時，激 光 器 能 產(chan) 生 脈 寬 為(wei) 100 ps 的 光 脈 衝(chong) 。2016 年 ，HUIKARI J 等人[17]對活性層厚度與(yu) 約束因子之比 da Гa約為(wei) 3 μm、 條寬/腔長為(wei) 30 μm/3 mm 的體(ti) 量子阱 LD進行了測試， 該半導體(ti) 激光器能實現脈衝(chong) 能量為(wei) 1nJ量級、脈衝(chong) 長度為(wei) 100 ps、脈衝(chong) 幅值為(wei) 6~8 A 和持續時間為(wei) 1 ns 的電流脈衝(chong) 。2018 年，TAJFAR A 等人[18]采用160 nm 的單片集成工藝（BCD）技術，設計了一種高功率、高強度和單芯片集成的 LD 驅動器，該半導體(ti) 激光驅動器能產(chan) 生脈寬小於(yu) 1 ns、 重複頻率為(wei) 40 MHz 和峰值電流高達 20 A，且完全可編程的電脈衝(chong) ；另外，他們(men) 還通過嵌入電流數/模轉換（DAC）的方式，為(wei) LD 提供其所需的閾值電流，改善 LD 的響應時間。2019 年，中國科學技術大學的 FENG B 等人 [19] 提出了一種采用130 nm CMOS 技術的可調幅度和脈寬的激光源驅動器，該驅動器能生成可調脈寬為(wei) 300 ps~3.8 ns、峰值電流為(wei) 70 mA 以及重複頻率為(wei) 625 Mb/s 的電流脈衝(chong) 。

1.2 半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器在驅動電源性能提升方麵的發展

提升半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器驅動電源特 性的方法主要有窄脈衝(chong) 疊加直流偏置、儲(chu) 能元件的應用、高速開關(guan) 的級聯或陣列、可編程邏輯器件的應用以及器件的選型與(yu) 布局創新等方法。

1.2.1 窄脈衝(chong) 疊加直流偏置法

早期，研究人員通過窄脈衝(chong) 疊加直流偏置的增益開關(guan) 方法獲得了超短脈衝(chong) 。1997 年，天津大學的黃超等人[20]通過增益開關(guan) 的方法產(chan) 生了超短光脈衝(chong) ，該係統輸出的光脈衝(chong) 寬度達到了 ps 級別， 但係統過於(yu) 複雜，輸出功率較低。2000 年，吉林大學的孫偉(wei) 等人[21]采用窄電流脈衝(chong) 疊加在直流偏置的增益開關(guan) 方法使半導體(ti) 激光器產(chan) 生皮秒脈衝(chong) ，通過增大微波功率的方式獲得更窄的脈衝(chong) ，但功耗較高。

對於(yu) 特定的電脈衝(chong) ，激光器存在一最佳的直流偏置，若低於(yu) 此偏置，激光器輸出功率降低、脈寬變寬；若高於(yu) 此偏置，由於(yu) 弛豫振蕩的影響，光脈衝(chong) 會(hui) 出現係列子脈衝(chong) ，導致激光器輸出光脈衝(chong) 失真[21-22]。由此可見，窄脈衝(chong) 疊加直流偏置法雖然能獲得 ps 級別的超短脈衝(chong) ，但需要在最佳偏置電流情況下才能獲得優(you) 良特性的光脈衝(chong) ，有一定的局限性，且功耗高、輸出功率低以及係統複雜等問題限製了其發展。

1.2.2 儲(chu) 能元件的應用

1992 年，重慶大學 的 劉 䶮 等 人[23]采 用 NPN-PNP互補隔離法將場效應管的脈衝(chong) 觸發信號壓窄，並選取合理的電容容值，根據電容快速充電/放電原理，使激光器輸出脈衝(chong) 光，該驅動電路能得到脈寬為(wei) 50 ns、0~20 A 連續可調的驅動電流。2011 年，蘇州大學的陳祚海等人[24]選用高頻晶體(ti) 管作為(wei) 快速開關(guan) ，采用電容和電感作為(wei) 儲(chu) 能電路， 電容儲(chu) 存能量為(wei) LD 受激輸出光脈衝(chong) ，其調製頻率為(wei) 52 MHz、脈衝(chong) 占空比小於(yu) 12.5%，輸出光功率為(wei) 15 mW。

此後，研究人員通過結合直流偏置的方法，對上述技術進行了改進。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 觸發脈衝(chong) 驅動金屬氧化物半導體(ti) 場效應晶體(ti) 管 （MOSFET），通過控製 MOSFET 的導通關(guan) 斷和電容充電放電產(chan) 生快速的電壓跳變，LD 受激輸出脈衝(chong) 光， 其驅動電路主回路如圖 4 所示。控製電源 V1、電容和限流電阻的值即可控製脈衝(chong) 的脈寬與(yu) 峰值電流。驅動電路中電源 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衝(chong) 波形的目的。該驅動電路能得到脈寬為(wei) 2.2~4.9 ns、重複頻率為(wei) 0~50 kHz 和峰值電 流為(wei) 0~72 A 的電 脈衝(chong) 。因此，通過合理地選擇儲(chu) 能元件，能有效提升半導體(ti) 激光器驅動電路的輸出功率，但缺點是脈衝(chong) 寬度無法連續可調，該驅動電路的電源 V1 需幾百伏，功耗高。

1.2.3 高速開關(guan) 的級聯或陣列

研究人員采取高速開關(guan) 級聯或陣列的方法，有效解決(jue) 了上述儲(chu) 能元件雖能輸出大功率但脈寬不可調的問題。

2005 年，天津工業(ye) 大學的朱娜等人[26]根據晶體(ti) 管的雪崩效應，通過兩(liang) 級雪晶體(ti) 管陣列，獲得了脈寬為(wei) 7 ns、峰值電流為(wei) 6 A 的大電流窄脈衝(chong) ，但此方法的供電電源電壓需達到上百伏，功耗大的缺點限製了其發展應用。在此基礎上，天津工業(ye) 大學的劉旭升等人[3]對此行了改進， 通過采用多個(ge) 雪崩晶體(ti) 管級聯的方法，獲得了半峰全寬為(wei) 1.51 ns、峰值電流為(wei) 12.5 A 和重複頻率為(wei) 100 kHz 的大 電流窄脈衝(chong) ， 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]研製了脈寬為(wei) 10 ns、峰值電流為(wei) 20 A 和重複頻率為(wei) 1 MHz 的連續可調脈衝(chong) ， 該驅動電路通過雙晶體(ti) 管構成推挽輸出，形成常開常閉門對管驅動高速 MOSFET，有效提高了帶負載能力，其供電電源電壓隻需 30 V，解決(jue) 了大電壓、大功耗的問題。為(wei) 了獲得更低功耗的驅動電路，2009 年，NISSINEN J 等人[28]提出了一種 CMOS 電流脈衝(chong) 發 生器，其電路結構圖如圖 5 所示，該發生器采用0.35 μm 的 CMOS 工藝， 由 4 個(ge) 平行的 n 型金屬氧化物半導體(ti) 晶體(ti) 管組成，通過縮放驅動緩衝(chong) 鏈實現快速切換，獲得了脈衝(chong) 峰值為(wei) 1 A、上升時間小於(yu) 1 ns 和脈衝(chong) 寬度為(wei) 2.5 ns 的高速電流脈衝(chong) 。這些步進式控製信號 和簡單的脈衝(chong) 整型技術的供電電壓低至 5 V，功耗極低。

為(wei) 了實現脈寬更窄的光脈衝(chong) 。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]將任意波形發生器作為(wei) 脈衝(chong) 信號發生源，電路上應用單極差分放大器、源極跟隨器和高速電流開關(guan) ，研製了脈寬小於(yu) 2 ns、 峰值輸出功率 mW 級的高速脈衝(chong) 激光器。其中，高速電流開關(guan) 由 4 個(ge) 雙極型三極管與(yu) 1 個(ge) 場效應管組成，通過雙極型三極管產(chan) 生的負電容能近似中和與(yu) 其級聯的三極管的密勒電容， 提高了其頻率特性，極大縮短了開關(guan) 時間。但是，電路級聯場效應晶體(ti) 管（FET）數量往往存在限製。2014 年，中國科學院西安光學精密機械研究所的林平等人[30]突破了這一技術難題，將 33 路 GaAs FET 級聯設計成整形電脈衝(chong) 產(chan) 生電路，用電脈衝(chong) 直接驅動半導體(ti) 激光器，可產(chan) 生脈寬為(wei) 10 ns、時域調節精度為(wei) 330 ps 的任意形狀整形激光脈衝(chong) 。同年，為(wei) 了實現更大電流的輸出，北京大學的陳彥超等人[31]以 MOSFET 為(wei) 開關(guan) 器件，將雪崩晶體(ti) 管作為(wei) 驅動器，設計了大電流窄脈衝(chong) 的半導體(ti) 激光器驅動電路，該電路通過將多個(ge) 晶體(ti) 管構成的脈衝(chong) 發生單元並聯，滿足了大電流的要求，其中預觸發的設計解決(jue) 了上述並聯方式帶來的脈寬寬度問題；該驅動電路在供電電壓為(wei) 195 V 條件下，能產(chan) 生脈寬為(wei) 8.6 ns、脈衝(chong) 幅值 為(wei) 124 A 的 脈 衝(chong) 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(ti) 管作為(wei) 預開關(guan) 器件的方法， 有效提高了輸出功率、減小了脈衝(chong) 寬度和上升沿，該驅動器實現了小電壓供電、大功率輸出的功能。

1.2.4 可編程邏輯器件的應用

隨著可編程器件的高速發展，由於(yu) 其具有集成度高、靈活性大的特點，且觸發脈衝(chong) 具有上升沿快、頻率高和脈寬窄且連續可調等優(you) 良性能，使得半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器更具發展潛力。可編程邏輯器件的應用，有效解決(jue) 了功耗高的問題。部分可編程邏輯器件應用於(yu) 半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器的發展現狀如表 1 所示。

1.2.5 器件選型和布局創新

隨著光電子器件的飛速發展，對芯片集成度的要求愈來愈高，高性能的器件與(yu) 布局的創新成為(wei) 半導體(ti) 激光器驅動源特性提升的重要技術手段。

2010 年，天津津航技術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激光器組件等方法，有效提升了激光發射的光脈衝(chong) 前沿速度，得到了脈寬小於(yu) 5 ns、脈衝(chong) 前沿小於(yu) 2 ns 和輸出功率大於(yu) 100 W 的大功率窄脈衝(chong) ，在激光引信應用中提高了其測距精度與(yu) 抗雲(yun) 霧幹擾能力。

2013 年，中國工程物理研究院的王衛等人[40]為(wei) 了穩定驅動砷化镓光導開關(guan) ，通過分析 MOSFET 的導通特 性，采 用 合 理 的 高 速 MOSFET 設 計 了 大 功 率 半 導體(ti) 激 光 器 窄 脈 衝(chong) 驅 動 電 路，為(wei) 激 光 器 提 供 了 脈 寬 為(wei) 15 ns、 抖動均方根小於(yu) 200 ps 和輸出功率可達 75 W的脈衝(chong) 電流。若通過改進脈衝(chong) 發生電路，得到優(you) 質的初始觸發脈衝(chong) ，激光器能輸出脈寬更小的光脈衝(chong) 。同 年，林肯實驗室的 SIRIANI D F 等人[41]研製了瓦特級、納秒脈衝(chong) 半導體(ti) 激光器與(yu) 集成驅動器，將激光器和低電 感 電 容 器 陣 列（LICA）直 接 焊 接 到 定 製 的 5 mm×5 mm 的 BiCMOS 驅動器芯片上，其激光驅動器配置如圖 6 所示。在 5 ns 的窗口中向平板耦合光波導激光器（SCOWL）提供大約為(wei) 10 A 的電流，從(cong) 而產(chan) 生大於(yu) 1 W 的 高 功 率 光 脈 衝(chong) 。通 過 光 纖 布 喇 格 光 柵 保 持SCOWL 的穩定，從(cong) 而實現窄的光譜線寬發射，同時對激光器施加預偏置，達到了抑製法布裏-珀羅（F-P）模式激射的目的，並在窄光譜帶寬內(nei) 產(chan) 生矩形光脈衝(chong) 。

2015 年，北京交通大學光信息科學與(yu) 技術研究所的李永亮等人[42]以 iC-HG 為(wei) 驅動芯片設計了脈衝(chong) 為(wei) 980 nm 激光器的高性能驅動電路，該電路使激光器既能 輸 出 連 續 光 也 能 輸 出 脈 衝(chong) 光，脈 寬 最 小 為(wei) 10 ns，直 流 光 功 率 可 達 180 mW，脈 衝(chong) 峰 值 輸 出 功 率 可 達160 mW，脈寬和激光功率實現了連續可調。

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]研製了一種 16 線集成半導體(ti) 窄脈衝(chong) 激光器模塊， 該模塊主要由高密度排列的激光器芯片、集成驅動電路和光電混合集成封裝結構組成。其中，窄脈衝(chong) 驅動電路采用新型的 GaN 功率器件。與(yu) 傳(chuan) 統的MOSFET 相比，該器件開關(guan) 損耗、結電容等寄生參數較小，具有更快的開關(guan) 速度。由於(yu) 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(ti) 積，實現了 16 線單獨控製，得到脈寬為(wei) 6 ns、高功率為(wei) 70 W、功耗低至 4 W 的高性能模塊。16 線模塊整體(ti) 結構圖與(yu) 光脈衝(chong) 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展。

2 結束語

綜上所述，半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器主要通過優(you) 化激光器結構、材料和加工工藝及改進驅動電源特性的 2 種方式實現性能提升。本文主要對這 2 種方式的半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器發展情況進行總結與(yu) 分析，著重介紹了提升驅動電源特性 的 5 種方法。目 前，脈衝(chong) 寬度 在 5~10 ns 的技術相對成熟，ps 級脈寬已成為(wei) 該領域的必然發展趨勢。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(jue) 。隨著數字化與(yu) 半導體(ti) 光電子技術的發展，各領域對半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器需求愈來愈大，因此研究大功率、窄脈衝(chong) 、低功耗和小型化半導體(ti) 脈衝(chong) 激光器具有重大意義(yi) 。