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user: 3. 隧道级联半导体激光器研究状况 1982年贝尔实验室的van der Ziel和Tsang [ 6 ] 首次提出由两个高掺杂反向偏置的隧道结串联的三有源区结构的半导体激光器。该激光器采用MBE的外延技术生长，隧道结的掺杂浓度达10 19 cm −3 ，在使用200 ns的脉冲信号下，激光器的阈值电流密度为1.4 KA/cm −2 ，差分量子效率为0.8，即平均每层为0.27，其值相对较低归因于有源层与包层之间的界面损耗。这种多层激光器比单个的激光器具有更高的连续输出，且具有足够小的光斑尺寸，这在光纤的应用上更具优势，但是其散热效果相比将多个单激光器人工焊接在一起时更差。从此开始，隧道结级联半导体激光器的研究以及商业应用成为人们关注焦点。 3.1. 非耦合隧道结级联激光器 1997年J. Ch. Garcia [ 4 ] 等人提出双波长(956 nm和985 nm)的低阻隧道结级联激光器，并具有两个阈值特性。他们研究了不同隧道结的电阻率，尽管同质结具有更好的电阻特性，但是考虑到带间吸收，为减少损耗他们采用InGaAs/GaAs异质结作为隧道结，通过CBE外延技术得到高掺杂低电阻率的隧道结。在室温下，脉冲信号100 ns，频率1 KHz下，激光器得到两个明显的激射波段以及不同的阈值，分别为420 A/cm 2 和990 A/cm 2 。需要说明的是，过高的阈值电流密度不是由于隧道结所造成，可能原因是顶层在刻蚀过程中影响时间更长而导致表面复合更高。通过CBE外延可得到低电阻率隧道结，从而使成本效益更高的高功率隧道级联激光器的制造成为可能。 1999年，S.G. Patterson等人 [ 7 ] 首次提出在室温下连续光输出的隧道结级联激光器，他们通过设计外延生长温度，从而提高器件性能，实验测试下，激光器能在室温条件下连续工作，斜率效率在输入电流48 mA时由0.319 A/W增大为0.622 A/W，得出两个电流阈值为1.95 kA/cm 2 和2.18 kA/cm 2 ，经测量在增益引导设备下工作时的外部效率达99.3%，这为室温下连续输出双极隧道结级联激光器的成功提供有力证明。2000年 [ 8 ] ，他们对此激光器的温度特性进行了研究，散热片温度在10℃~40℃时的激光器连续工作的特征温度为102.5 K，而当散热片温度在50℃~80℃时，激光器的特征温度下降为55.7 K，研究发现顶层和底层的有源区互为各自的加热源，且当输信号大于顶层有源区的阈值时，激光器的差分斜率效率将会开始降低。 激光器功率损耗的优化。2002年，W.J. Siskaninetz [ 9 ] 等人采用MBE外延系统，通过设计外延层的厚度、生长时间和温度来优化器件结构，并且将隧道结的掺杂浓度由5 × 10 19 cm −3 提高至8 × 10 19 cm − 3 ，经过对比验发现，提高P型掺杂浓度可以显著提高器件的工作电压性能，而减小隧道结P掺杂厚度对电压性能的影响非常小，且对器件电流特性的影响最小。 2006年，Jingzhou Yan [ 10 ] 等人提出一种双波长隧道结级联激光器，激射波长分别为1350 nm和1450 nm，经实验测试，短波的有源区最先激射，阈值电流为170 mA (另外长波处的阈值电流为280 mA)，最先激射的原因是短波多量子阱有源区具有更短的条宽，这与他们推测相反，即短波难以实现激光发射，并且光功率比长波长大10 dB，可能的解释是两个有源区分别位于两个PIN结构上，可作为独立的电泵浦，从而减少两种波长模式之间的增益竞争。经过他们的研究表明，过设计隧道结级联激光器的几何结构可以在集成光子系统中实现同时多波长的激光发射。 S. M. Nekorkin等人 [ 11 ] 在2007年为避免不同频率的模态交叉吸收，实现相位匹配，设计并提出一种双波长隧道结级联激光器，长波段产生TE 1 模，短波段产生TE 3 模。他们采用MOCVD外延技术生长激光器结构，对于横向电流限制，由80 keV的氢离子注入以形成100 μm宽的条宽，腔体切割成0.4~1.5 mm的长度。他们在室温、输入信号脉冲宽度为350 ns、重复率为1.6 kHz的条件下对激光器进行了测试，明显的测量到951 nm和1063 nm两个波长，两者的阈值电流为10 A，非线性信号的最大观测功率为30 nW (输入电流为35 A)，对于二次谐波，测量出非线性转换率约为10 nW/W 2 ，对于和频的产生，测量的转换效率为1 nW/W 2 ，与0.1 μm的相干长度相吻合。实验显示他们设计的波导结构能够大大消除不同频率下激光模式的交叉影响，并支持所有波长的低损耗模式。 3.2. 耦合隧道级联半导体激光器 2007年，M. Müller [ 12 ] 等人提出一种隧道级联激光器，制作为波长940 nm长度为10 mm的三有源区激光器条时，在输入脉冲信号长度为100 µs，工作周期为1%，其所能达到的最大准连续输出功率为615 W，斜率效率为3.38 W/A，制作为波长808 nm的三有源区激光器条时，在输入脉冲信号长度为20 µs，工作周期为0.4%，达到最大输出功率为840 W，且其电阻仅为2.8 mΩ，这与典型单级激光器的串联电阻一样低。他们还与五有源区激光器进行了比较，发现激光器的差分效率，COD水平与级联级数呈线性关系，表明其制造的隧道结性能优良。 Jean-François Boucher等人 [ 3 ] 于2009年提出一种新型的超高效率1550 nm的多结级联激光器，单片三有源区激光器的峰值输出功率超过37 W，发散角小于35度，他们在InP结构上采用MBE外延技术生长AlGaInAs-InP激光器结构，他们通过深刻蚀的工艺方法使得电流扩散限制在底部结的可以接受的水平内，经过封装测试，双有源区激光器的斜率效率是单有源区激光器的1.5倍，而三有源区激光器是单有源区激光器的2.5倍，他们的研究表明他们设计的50 μm宽孔径的1550 nm双有源区级联激光器已经可以作为可行的商业产品。 M. X. Feng等人 [ 13 ] 在2013年提出一种高效的GaN基隧道结级联激光器，他们将常规的P型AlGaN包层和P型GaN接触层分别替换为低阻的N型AlGaN包层和N型GaN接触层，通过商业软件LASTIP数值研究，他们所设计的隧道结级联激光器性能有非常大的提升，相比之下，吸收损耗和非辐射复合减少，阈值电流和串联电阻分别降低了12%和59%，斜率效率提高了22.3%。在120 mA的注入电流下，输出功率和光电转换效率分别提高了34%和79%。 Benjamin P. Yonkee等人 [ 14 ] 于2016年采用MOCVD和氨基MBE组合的外延生长方式设计制造一种GaN隧道结级联激光器，其二维激光器条大小为1800 µm × 2.5 µm，在没有表面涂层的情况下阈值电流为284 mA(阈值电流密度6.3 kA/cm 2 )，单边斜率效率为0.33 W/A，微分电阻为2.3 × 10 −4 Ω。 Manoj Kanskar等人 [ 15 ] 在2017年提出一种大功率高效的88x-nm隧道结级联激光器条，他们使用MOCVD外延技术生长激光器结构，并通过优化隧道结的结构设计使隧道结电阻值低于8.0 × 10 −6 Ω-cm 2 ，在脉冲信号200 μs、频率14 Hz、散热片温度为10℃的实验条件下，一个3 mm宽、3 mm腔长的激光器条的准连续工作输出功率为630 W，而一个1 cm宽、3 mm腔长的激光器条的峰值输出功率达1.8 kW，单管双有源区激光器的阈值电流为0.76 A，峰值输出功率为19 W，斜率效率为2.2 W/A。 Satoru Okawara等人 [ 5 ] 在2017年提出一种双有源区氮化物基隧道结级联激光器，他们采用MOVPE外延技术生长激光器结构，经过实验测试，在脉冲信号宽度为20 ns、频率为5 kHz、室温下峰值输出功率超过10 W，发射波长为394 nm，两个阈值电流为2.4和2.5 A，斜率效率分别为0.8和0.3 W/A。 Czeslaw Skierbiszewski等人 [ 16 ] 在2018年通过等离子体辅助分子束外延(PAMBE)技术生长了450 nm蓝光隧道结级联激光器，他们发现在PAMBE生长期间不使用氢能够获得更低电阻的隧道结，其阈值电流密度以及斜率效率和标准激光器相比较没有明显的差异；对于大于2 kA/cm 2 的电流密度，隧道结激光器的串联电阻要比标准激光器高出一个数量级，而且在相同的差分电阻率范围内，他们所提出的隧道结激光器的开启电压高0.6 V，这为在高电流密度下的激光器器件运行开辟了新的前景。 3.3. 商业领域 经过多年研究国外现在已经有产品出售，Laser Diode Incorporated公司 [ 17 ] 所研制的905 nm多结激光器条，在脉宽10 ns的信号下峰值输出功率达500 W，阈值电流为0.8 A，工作温度范围为−40℃~−85℃ (发光区200 μm × 480 μm)；所研制的一单管隧道结激光器在50 ns，1 kHz时，输出功率为2.5 W (发光区40μm × 2μm)。Laser Components公司 [ 18 ] 所研制的905 nm多结激光器在150 ns脉宽信号下，单管峰值输出功率达70 W，有效发光面积为235 μm × 10 μm，其集成激光器条的峰值输出功率达650 W，有效发光面积为200 × 10 μm，特别适用于医疗和光纤耦合。德国Osram公司 [ 19 ] 所研制的905 nm三有源区级联激光器在脉宽为100 ns的脉冲信号下，峰值输出功率为75 W，发光区面积为200 μm × 10 μm。