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高功率半导体激光器的研发及应用

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【摘要】:
半导体激光器是以半导体材料为基础的电能光能转换器件(系统),能够发射出单色性好,方向性强的高亮度激光光束。    半导体激光器由于具有电光转换效率高、波长选择范围广、体积小、寿命长等优点得到广泛应用,是光电领域的核心基础之一。广泛应用于人脸识别、材料加工、娱乐显示、医疗美容、激光通信、信息存储等领域。    高功率半导体激光器可以作为直接高能光源应用在材料加工等方面,也可以作为高效率的全固体激光器
      半导体激光器是以半导体材料为基础的电能光能转换器件(系统),能够发射出单色性好,方向性强的高亮度激光光束。
      半导体激光器由于具有电光转换效率高、波长选择范围广、体积小、寿命长等优点得到广泛应用,是光电领域的核心基础之一。广泛应用于人脸识别、材料加工、娱乐显示、医疗美容、激光通信、信息存储等领域。
 
      高功率半导体激光器可以作为直接高能光源应用在材料加工等方面,也可以作为高效率的全固体激光器和光纤激光器的泵浦源,是高能激光和先进材料加工领域的关键部分,近些年得到高度重视、得以快速发展。
 
一、关键技术
 
      长光华芯致力于高功率高亮度半导体激光器(系统)关键技术,关键器件的自主开发与国产化,并进行功率半导体激光器(系统)的工业化批量化生产。长光华芯的业务覆盖了高功率半导体激光器(系统)的各个环节,激光器芯片方面延伸到材料的生长,晶圆流片,芯片封装;在激光器系统方面包含光束整形,高能合束耦合,抑制延伸到热管理与系统。
 

      长光华芯目前已建成从芯片设计、MOCVD(外延)、光刻、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合等完整的工艺平台和量产线,并攻克了外延生长技术、腔面钝化技术、器件制作和高能合束耦合等方面的多个技术难题。向工业市场批量推出了自主开发的10W-15W高功率高亮度半导体激光器芯片,千瓦级的高亮度泵浦模块以及数百瓦的高功率bar条。
 
1.半导体材料外延生长工艺

      半导体材料的外延生长可以说是半导体激光器的生产的最源头。外延生长是在半导体衬底材料表面生长组分厚度掺杂精确控制的单晶多层二维层状结构,组成激光器芯片的PN结结构。材料成分、厚度和缺陷浓度控制直接决定了激光器芯片的波长、效率乃至可靠性等方面性能。
 

同位过程监测
 
      长光华芯采用世界顶尖的气相外延炉(MOCVD)进行外延片的生产。外延材料包括砷化镓,磷化铟,以及铟(铝)镓砷(磷)四元材料体系。波长覆盖了可见光630nm到红外2100nm。为应对大规模量产需求,我司采用多晶片反应器,如3" 12片机或6"8片机,提高产能,月产能达上千片;并且采取原位过程监测,对长片全过程进行严格把控。
 
2.半导体激光波导结构的设计

      半导体激光器芯片的外延结构影响激光器芯片的光束质量,阈值电流,工作电流电压等特性。在外延结构设计方面,我司采用非对称超大光腔波导结构,降低激光腔内部光损耗,增大光斑尺寸,提高内量子效率。从而提高功率、效率与亮度。
 
3.腔面特殊处理技术

      激光器芯片的光功率由芯片的一个解理端面(腔面)辐射输出。然而在高功率情况下腔面对光的吸收足以导致腔面材料融化,这是限制激光器功率提高与可靠性的核心技术问题。在腔面膜处理方面长光华芯全自主建设的腔面钝化处理设备和自主开发的工艺技术,采用真空解理钝化与无吸收窗口结构,有效降低腔面表面复合效应和腔面温度,提高芯片腔面灾变(COMD)水平。

 
4.高亮度合束技术的采用
 
      光纤耦合技术同样是影响高功率半导体激光器发展的关键技术点。

200μm模块设计与布局

光束质量分析
 
      我司光纤耦合产品采用模块化的结构设计,模块内部进行快轴(FAC)和慢轴(SAC)的光束整形,方便系统的扩展集成,利于产品的规模化生产,提高产品的可靠性。利用空间合束,偏振合束,波长合束,光谱合束等技术进一步提升光纤输出激光的功率和亮度。
 
二、高亮度高效率半导体激光芯片最新研究进展
 
      长光华芯的技术研发不仅包含对目前工业市场,科研领域的迫切需求的产品与技术服务,同时积极布局未来高功率高亮度半导体激光器领域发展方向的探索与关键技术的突破。
 
1.13W以上的高亮度单管芯片
 
      在单个半导体激光器芯片方面,长光华芯开展了窄条宽高亮度半导体激光芯片,目前在9XXnm 10W量产芯片的基础上将发光宽度接近减半的情况下依然得到了超过10W的功率(50μm条宽),芯片亮度提高了近1倍。接下来得主要研究任务是提高芯片的长期寿命与可靠性。
 

50 mm发光区宽发射器
 
    经过长光华芯多年的技术积累,激光器芯片的可靠性大幅提高,芯片通过了20000h加速寿命测试,长期(预期)运行时间超过50000小时。
 
2.700W QCW巴条(1cm宽)

700W准连续巴条功率/效率曲线

700W准连续巴条测试数据
 
      长光华芯采用应变量子阱及非对称超大光腔外延结构,优化巴条芯片的电光输出效率;采用腔面钝化处理技术,提高腔面COMD损伤电流阈值;采用高热导巴条芯片封装技术,解决因热效应导致的Rollover功率拐点现象和。
      我司研制的厘米宽700W准连续巴条,输出功率达到750W@电流700A,最高效率70%@电流300A。
 
三、应用方向
 
      半导体激光器领域是一个充满活力、快速发展的领域,新的应用也在不断涌现。
      多年来,长光华芯致力于半导体激光器的应用推广,针对工业加工、科研、泵浦、激光雷达、人脸识别等不同领域提供专业产品,提供半导体激光器的一站式解决方案。
 
1.切割、焊接和3D打印

                    3X700w系统       4000W系统

                                      激光切割                                                     激光焊接

  激光3D打印
 
      长光华芯的直接半导体激光系统产品功率从几十瓦到上千瓦,包括可应用于激光焊接领域的4000W,400μm激光焊接系统、可应用于激光3D打印的3x700W,200μm系统,其中,600W,100μm的金属切割激光器还荣获了2015年OFWEEK创新奖。为激光焊接、切割和3D打印等领域提供了多种解决方案。
 

2.激光雷达与气体传感       

                         长光华芯百瓦级雷达芯片                                            无人驾驶

      半导体激光器芯片可作为激光雷达系统的发射光源,应用领域包括车载激光雷达,机器视觉,气体传感等领域。高功率半导体激光芯片有利于提高激光雷达系统的测试距离,提高探测精度提高系统集成度。华芯光电已经研制功率超过100W的高功率多结激光雷达芯片,并进行车载雷达系统的验证。
 
3.人脸识别

        面发射半导体激光器原理图                                                   人脸识别

      面发射半导体激光器(VCSEL)是高功率半导体激光器的一种。与边发射半导体激光器相比,VCSEL具有诸多工业生产优势。VCSEL激光器便于制备高达上万芯片的2D阵列,不仅可以提高输出功率,更为设计复杂阵列排布提供可能。长光华芯正在建立规模化生产的6"线。
 
四、发展趋势

      大功率、高亮度、高效率、高可靠性是半导体激光器的发展趋势, 长光华芯也一直致力于将我们的半导体激光器向更高功率、更高光束质量、更高效率、新的波长范围方向提高,并为此不断努力。
 
王俊博士简介:
苏州长光华芯光电技术有限公司常务副总经理兼首席技术官,四川大学特聘教授、博士生导师,加拿大McMaster大学博士,国家“千人计划”专家,科技部评审专家,江苏省创新创业领军人才。
 

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