一、前言
半导体激光器是以半导体质料为增益介质的激光器，依靠半导体能带间的跃迁发光，通常以天然解理面为谐振腔。因此其具有波长笼罩面广、体积小、结构稳定、抗辐射能力强、泵浦方式多样、制品率高、可靠性好、易高速调制等优势，同时也具有输出光束质量差，光束发散角大，光斑差池称，受到带间辐射的影响导致光谱纯度差、工艺制备难度高的特点。
本文针对半导体激光器光谱纯度差、光束质量差、大功率事情困难、难于实现腔内调控等缺点，以光泵浦垂直外腔面发射激光器、微纳激光器和拓扑绝缘体激光器的研究生长路线为载体，简要回首新体制激光器的生长历程，并通过研究总结相关器件的技术生长路线，总结了在多学科交织的技术配景下，实现新物理、新看法以及新技术融合的要领，为我国半导体激光器工业的生长提出相关建议，以供参考。
二、几种新体制半导体激光器简介
新物理、新看法以及新技术与半导体激光器的融合，为其生长注入了新鲜的血液，通过与光学、电磁学、微电子学、拓扑学以及量子力学的交织渗透，催生出了许多新体制激光器，它们或者有大规模的集成应用前景，或者有优秀的光束和光谱质量，或者有更高更稳定的输出功率，或者有更小的体积和突破衍射极限的光斑，或者便于调制和倍频，或者具有让人兴奋的微小功耗。这些新体制激光器的生长，代表了半导体激光器技术的先进水平，同时也反映着物理理论、工程技术以及制备工艺的生长现状，值得进行深入的研究。其中，光泵浦垂直外腔面发射激光器、微纳激光器和拓扑绝缘体激光器（见图 1）划分代表了激光学科内部的交织应用、激光器与光学的交织应用以及激光器与新兴物理领域交织应用所催生出的新型半导体激光器，具有富厚的物理内涵和应用价值，本文将进行较详细的讨论。
（一）光泵浦垂直腔面发射激光器
光泵浦垂直外腔面发射激光器（OP-VECSEL），又称光泵浦半导体激光器（OPSLs），或半导体碟片激光器（SDL），是半导体激光与固体激光结合的产物。它的增益芯片接纳半导体质料，与垂直腔面发射激光器（VCSEL）很是相似；谐振腔结构则接纳固体激光器构型，通常由半导体芯片上的漫衍布拉格反射镜（DBR）和外腔镜配合组成；泵浦方式通常使用光泵浦，可以提供更灵活的事情方式和更优良的器件性能。VECSEL 使用半导体芯片作为增益物质，可以提供多种波长选择和宽谱的调谐规模。基于固体激光器的光学腔使其可以方便进行腔内光学元件插入，易于进行脉冲压缩、和频、差频及光束整形，可以发生如超短脉冲激光、特殊波长激光、太赫兹激光、多色激光等，满足多种特殊应用需求。
由于 OP-VECSEL 的上述特点，目前该领域的主要研究内容集中在提高输出功率、波长可调谐性，激光超短脉冲或超强脉冲发生以及特殊波长或多波长设计等方面。就波长笼罩规模来讲，VECSEL 激光器目前已经实现了紫外波段到可见光波段再到红外波段甚至太赫兹波段的全波段笼罩。表 1 给出了差异波段 VECSEL 激光器的一些典型参数。通过腔内倍频 VECSEL 实现的最短激射波长可以到达244 nm [1]，使用双波长腔内差频实现的最长波长也可以到达 1.9 THz [2]。目前，VECSEL 激光器的最高单片输出功率纪录为 106 W [3]，最高重复频率为 175 GHz [4]，最小脉冲宽度为 60 fs [5]。
VECSEL 很是适合需要高性能光源的定制化应用，正处于面向应用的要害技术研发阶段，如特殊情况通信或特殊波长传感等。大量固体激光和半导体激光领域的现有技术被用来改善激光器的输出特性。谐振腔设计、光谱控制、腔内倍频、锁模、多程泵浦、碟片等固体激光技术，以及芯片制备和热治理等半导体相关工艺技术都为 VECSEL 的生长提供了有力的基础支撑。
垂直外腔激光器（见图 2）的高性能和灵活性特点使其很是适合定制化应用，其生长应该紧密结合应用，以平台建设为主，兼顾多波长、多输出特点的实用技术开发。一方面需要针对 VECSEL 自己的平台化技术进行创新研发；另一方面，迫切需要进行面向具体应用的特定技术开发和扩展，如开发适用于特殊波长、高光束质量、窄线宽、宽调谐规模等应用的高性能激光系统等。
（二）微纳激光器
微纳激光器通常指尺寸或模式尺寸接近或小于发射光波长的激光器。其结构小巧、阈值低、功耗低，在高速调制领域具有辽阔的应用前景，是未来集成光路、光存储芯片和光子盘算机领域的重要组成部门，同时被广泛应用于生物芯片、激光医疗领域，并在可穿着设备等领域内有着潜在的应用价值。
最早的结构微小化半导体激光器是垂直腔面发射激光器，将激光器的尺寸降低到了几十微米量级，并在通信、电子消费等领域获得了广泛的应用。由于尺寸的降低往往代表着阈值和功耗的降低，在已往的 50 年中，半导体激光器的体积已经淘汰了约莫 5 个数量级。为了进一步减小体积获得更高的性能，人们实验了种种要领来进行腔长的压缩和谐振腔的设计，如使用回音壁模式的微盘激光器、使用金属核壳结构的等离子激元激光器、基于法布里 –波罗腔的异质结二维质料激光器等。表 2 介绍了几种差异类型的微纳激光器特性比力。通过光学、外貌等离子、二维质料等新兴科学技术的引入，微纳激光器目前已经实现了三维尺寸衍射极限的突破。基于外貌等离子激元介电模式的 SPASER 激光器，横向尺度可以做到 260 nm 以下 [14]，并可以实现电学泵浦。基于过渡金属二卤化物（TMDC）的二维质料增益介质，可以保证在激光器体积小型化的前提下，提供比一般半导体量子阱质料高几个量级的质料增益，并可以实现三维尺寸上的突破衍射极限 [15]。此外，量子点质料的引入，也为激光器增益性能的提高提供了新的思路。
就种种微纳激光器的生长水平来讲，除 VCSEL已经乐成商用以外，其余类型的激光器在实际应用方面的门路依旧曲折，但微盘激光器的小尺寸，光子晶体激光器的低阈值和高速率，纳米线激光器的灵活调控波长以及等离子激元激光器的均衡性能使其在各自的应用领域内有着广泛的生长前景。
微纳激光器在差异场所的应用，对于其性能要求有所差异，所适合的技术方案可能有很大差异。如在其最大的目标市场光通信和光信息处置惩罚领域，制品率、可靠性与寿命方面的要求使得电泵浦的基于微纳加工的解决方案更为适合；而在生物医疗领域，在生物兼容性和尺寸方面的严格要求下，光泵浦和自组织的方案会更有竞争力。
微纳激光器的生长需要强大的技术能力保证。除了微纳加工技术以外，与之匹配的质料生长技术、器件制备工艺，甚至检测封装技术均需要进行针对性的开发，制止泛起某项技术的缺位与短板，从而限制整个器件的性能水平。
（三）拓扑绝缘体激光器
拓扑绝缘体激光器是半导体激光技术与凝聚态物理中“拓扑绝缘体”看法的结合。利用拓扑结构中的边缘态看法，这种激光器对器件内部结构的扰动和缺陷不敏感，易于实现高输出功率、高鲁棒性、模式稳定的激光。尤其在大功率激光器以及新兴的纳米光子激光器中，这种激光器对散射损耗和随机制造缺陷不敏感的特点使其很是适用于高功率锁模激光阵列和量子信息发生及传输等领域的应用。
尽管距离首次提出基于半导体拓扑结构的拓扑绝缘体激光器看法仅有两年（2018 年首次提出 [16,17]），此类激光器优异的输出稳定性和结构缺陷不敏感性已经引起了海内外许多研究人员的关注，并逐渐成为了相关学科的研究热点。目前此类激光器大多以半导体微纳拓扑结构为结构单元，通过拓扑结构形成的光场或电子限制来实现谐振功效，进而实现激光器的定向单模激射。表 3 给出了几种差异类型的拓扑绝缘体激光器。以 2020 年北京大学实现的纳米腔拓扑激光器为例 [18]，这种激光器可以实现垂直发射的单模激光，出射偏向可以通过器件拓扑结构进行调整，偏向性高、体积小、阈值低、线宽窄，横向和纵向模式都有很高的边模抑制比。此外，利用拓扑对称的看法和其他新型激光器的结合，国际上已经在理论上获得了蜂窝对称的等离子 – 光子（衍射）拓扑 SPASER [19]，六边形等离激元金属纳米壳核阵列 SPASER [20] 以及太赫兹紧凑型量子级联拓扑激光器等 [21]。拓扑绝缘体激光器方面的生长仍处于物理看法提出和验证阶段。增强学科交织，促进多学科、多领域相助，结合半导体激光器的特点，创新的理论研究和实验验证是当前的重点。
三、海内外半导体激光器工业生长现状
半导体激光工业已经成为整个激光工业的基石，而激光工业也已经成为人类社会生活不行支解的一部门。据统计，2019 年全球激光器的销售额预计将维持 6% 的增长速度，到达 146 亿美元。其中半导体激光器的市场规模（包罗直接的半导体激光器，也包罗固体激光器与光纤激光器的泵浦源）约为 68.8 亿美元，占激光器整体市场的 50% 左右，年增长率约为 15% [22]。
以现有工业结构来看，整个行业主要包罗质料、芯片、器件、�？�、系统等几个应用节点，但无论是上游的质料和芯片工业照旧中下游的器件、�？椤⑾低彻ひ滴抟啥际羌际趺芗妥式鹈芗凸ひ担枰罅康募际醭恋砘酆途薅畹淖式鹜度搿�
经过数十年的生长，外洋市场客户对产物的成本控制、器件性能的要求越来越全面，对产物的筛选也越来越严格，近年来，受到这些因素的影响，行业的生长泛起了一些新的趋势。
从应用角度来讲，半导体激光器产物正在从工业应用领域向消费应用领域扩展，其市场规模可能迎来发作性的增长，但竞争也将进一步加剧。2018 年苹果手机中接纳 Lumentum 公司的垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为传感光源是这一趋势的标志性事件。后者通过在消费电子工业的深耕，发动和引导了市场的生长偏向，利用创新的应用，在技术先进性不占优势的情况下，改变了与 II-VI、Finisar 等公司的竞争花样。
从半导体激光器从业企业的角度看，其竞争态势与 20 世纪 90 年代的微电子行业有一定的类似之处。都经历了从中小型企业自由竞争，到通过合并重组发生的“巨无霸”型公司支解市场的竞争路线。如原来在工业界就占优势职位的 Lumentum 与Oclaro 公司的合并以及 II-VI 与 Finisar 公司的重组，势必对工业内其他中小型企业的生存现状发生严重影响。
近年来新形式的半导体激光器公司也获得了巨大生长，包罗大型集成设计制造（IDM）公司，代工（Foundry）企业，无生产线（Fabless）公司等。
IDM 模式（垂直集成）公司，实际上是进行半导体激光器生产的应用系统公司，以半导体激光器产物为其焦点竞争力，但并不以它为最终产物形态。以 IPG 光电子公司、相干激光公司（Coherent）等固体激光、光纤激光和激光加工企业为代表。他们大多通过并购或自行生长，在企业内部实现了从质料、芯片、器件、模块、系统的完整集成。最早实现“垂直集成”的 IPG 公司据此奠基了在光纤激光器领域的绝对优势职位，尽管有多余的生产能力，但半导体激光器甚至不作为产物出售。
Foundry 企业主要从事外延和芯片工艺方面的事情。外延方面包罗英国 IQE、美国英特磊科技有限公司（IntelliEpi）、台湾省全新光电、日本的住友化学。其中 IQE 所占据的整个外延芯片市场份额已到达 60%，与 VCSEL 应用相对应的市场份额已到达 80%。芯片工艺方面，台湾省的稳懋、宏捷科、GCS 环宇占整个芯片代工市场 90% 的市场份额。这类公司具备强大的专项能力和成本控制水平，可以助力客户实现良好的成本和性能控制。
Fabless 企业自己只从事半导体激光器设计和封装测试等事情，而委托 Foundry 进行生产。这类企业以中小型为主，但有些大型企业也会以类似的方式将生产进行外包，甚至向 Fabless 企业转换，从而降低整体运营成本。如 Lumentum 尽管自己具有垂直整合能力，但其 VCSEL 的设计和生产主要由IQE 和稳懋（WIN）代工完成；而 Avago 则将芯片工艺部门进行了剥离，将其位于科罗拉多的工厂出售给了台湾地域的稳懋，而入股该公司，成为了该公司的第三大股东，生产也委托给稳懋进行。
通常来讲，IDM 公司的半导体激光器在性能和可塑性上更具优势；而通过 Foundry 与 Fabless 企业的组合可以将产物成本控制得更低。
从半导体激光器工业与上下游工业的关系来看，其工业发动能力强、先发效应明显，在产物中的性能比重远大于其价钱比重。半导体激光器是系统应用的焦点竞争力，对器件的功效和可靠性的系统验证又需要长时间、大样本量的闭环优化，试错成本高，形成了较高的“门槛”。在半导体激光器工业成熟的这一历程中，领先者与追赶者的差距被进一步拉大。这是我国相关行业生长初期所面临的主要问题，尤其在中美贸易战发作以后，这一问题获得了更充实的袒露。
近年来国家有针对性地对焦点芯片进行了鼎力大举扶持，在人才和技术储蓄方面获得了一定的基础，先发效应的影响获得了一定水平的缓解，但种种措施的真正收效，仍然需要一个历程。
我国半导体激光器工业的生长，前弱后强的现象十分严重。在下游系统行业，已经涌现出如华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司等行业领导企业，光模块企业也有苏州旭创科技有限公司等先进企业可以在国际上与同行进行竞争。然而，在上游的光芯片环节，我国相关企业的研发和生产能力极为不足，质料方面则愈甚，相关企业规模均以中小型为主，从实力上难以与外洋产物竞争。尽管政府的治理和支持热情很高，但由于非业内人员对芯片行业的认识不足，同质化严重，缺乏耐心和顶层设计，难以形成良好的工业链。整个工业处于有前景的产物无法获得市�。谐∽式鸩辉钢С旨际蹩⒌亩裥匝分�。某些乐成的系统企业认识到了这一问题，进行了垂直工业整合努力，但遇到了较大的困难，进展缓慢。
四、我国在半导体激光行业的生长需求
我国在半导体激光行业生长的首要需求是保障国家战略宁静。半导体激光器是光通信、激光传感、激光加工、激光泵浦的焦点元器件，还可以直接应用于激光雷达、激光测距、激光武器、导弹制导、光电反抗等领域。
建设完整的闭环工业链条，形成正反�。ü谐∮τ茫俳岸私沟阈酒募铀俪墒欤贸墒斓男酒际酰⒍陆峁托掠τ玫穆涞厥俏夜喙毓ひ瞪びΩ醚≡竦淖罴崖肪�。
我国半导体激光器工业恒久处于追赶阶段，在某些领域实现引领是行业生长的迫切需求。从实际出发，针对新应用，开发新器件，占据“先发优势”，是实现逾越的有效途径。
基于以上考虑，距市场真正成熟仍有一定生长距离的新体制激光器工业，无疑是解决这一矛盾的重要突破口。
首先，我国在新体制激光器的研发方面与外洋的差距相对较小。受到近年来政策偏向的支持，我国在交织学科融合以及新兴半导体激光器领域已经有了久远的生长。尤其在微纳光学和微纳激光领域，我国的科研人员通过国际相助加入或主持了许多世界顶尖的研究结果，如果能够将这些结果进行工业化转移，肯定会为我国新体制半导体激光器工业的生长奠基良好的基础。其次，新体制激光器涉及基础物理领域。我国近年来重视基础学科建设，为新体制激光器的生长提供了人才基础和生长后劲。最后，在新体制激光器工业领域，外洋的生长与J9国际团体一样处于起步阶段，通过国家的资金和政策支持，我国的新体制激光器生长将有能力在世界新体制激光器工业的生长中占有一席之地。
技术的积累和工业的生长不能一蹴而就，在看到希望的同时也要正视所遇到的困难。我国半导体激光器工业的生长仍然处于相对落后的状态，无论是技术理论、人才储蓄照旧工艺流程和生产设备都远远落后于外洋的先进企业。企业规模仍然以中小型民营企业为主，所生产的产物也主要面对中低端应用，无法实现本质上的工业厘革。技术输出仍然以单一技术或单一专利为基�。薹ㄐ纬赏暾墓ひ盗瓷ぃ薹ńㄉ柰晟频�“产学研”结合体系。制造设备仍然以进口设备为主，强烈依赖于外洋的技术输出，无法实现真正的自主知识产权。所以，相关偏向的政策扶植迫在眉睫。
五、对策建议
半导体激光工业是关系国计民生的基础工业之一，半导体激光器工业的生长对我国在现代信息化社会的竞争中抢占先机具有重要意义。充实发挥我国在市场方面的优势开发新应用，坚持自主的原则生长新技术，勉励新看法和学科交织生长新理论，实现新体制的半导体激光器生长。新体制半导体激光器工业的竞争领域在国际规模内仍有辽阔的疆土。结合我国的政策优势、科技生长水平和人才储蓄，在未来的 10~20 年J9国际团体有希望在新体制半导体激光器领域内培育出可以与世界领先激光工业巨头相抗衡的优秀企业，为抢占战略制高点，为半导体激光工业的进一步生长提供源动力。
首先，鉴于当前半导体激光器工业生长中的困难和挑战，我国在近期的首要任务是有选择、有针对性地扶植适用于特种应用的半导体激光器的研制和生产，如针对高功率、窄线宽、特殊波长等应用，进行相关科研和技术攻关及企业技术转移。充实评估国产器件性能，正视差距，努力提升，保证国家装备宁静。
其次，在民用领域，推动成本敏感的半导体激光器国产化替代，充实利用市场导向和企业自身动力，辅以地方政策引导扶植，注重相关产物的差异化，制止一窝蜂式生长是当前的重要目标。例如，相比电信应用，数据中心应用中光器件和�？樯芷诙獭⑽そ戏奖悖朊偶飨喽越系停辉诩す饧庸は低持校氲继寮す馄鞒杀菊急雀撸械凸β手柿霞庸て笠稻哂薪细叩奶娲庠福彩枪骷耐黄瓶凇Ｔ谡庖焕讨校箍梢越徊脚嘤笠担嘌瞬拧�
最后，挖掘已有技术的应用潜力。对于成熟的或者快要成熟的一些半导体激光器，如新体制的垂直外腔面发射激光器等，从实际应用出发，进行开发或二次开发，推进技术的横向拓展和领域交织，针对新应用进行有针对性的技术提升，利用与系统和应用厂商的紧密联系占据“先发优势”。
在中恒久，主要目标是实现高端半导体激光器的国产化和自主生长，需要国家层面更多的加入甚至主导，须要时可以接纳政策扶植，资金和专项经费倾斜等手段。
（1）充实利用我国在应用端的巨大优势，勉励IDM 模式公司或者公司群的建设。可以接纳引导建设多个具有稳定相助关系的纵向企业团体的方式，实现器件开发和应用的反馈闭环，促进前端焦点质料和器件的成熟。
（2）下鼎力大举气勉励和引导国产器件的应用。接纳国家投资或补助的方式，建设完整的国产化替代示范平台，在实际应用条件下实现国产化焦点器件评估；在此基础上以政策倾斜、财政补助等方式勉励国产器件应用。
（3）建设具有芯片代工厂功效的全自主的、完整的新技术开发通用平台，以对技术水平要求高的新体制微纳激光器为牵引，同时满足无生产线企业的激光器制备需求，提升综合能力。尤其要弥补短板，掌握焦点技术和要害工艺，制止“卡脖子”问题，为新型半导体激光器的生长提供技术保障。
（4）勉励新看法、新器件，提前结构，掌握先发优势。开展包罗拓扑绝缘体激光器等新体制半导体激光器及其相应工艺的研究；勉励跨行业和前后端交流，在适当阶段由新看法开发转入针对具体应用的技术开发。
文章来源：激光行业视察
