激光器的构成与分类

激光器由四大系统组成：光学系统、电源系统、控制系统以及机械结构。其中，光学系统包含泵浦源（能量输入）、增益介质（工作物质）和谐振腔（光放大与输出）。按照增益介质的不同，激光器可分为固体（含固体、半导体及光纤）、液体和气体三类。当增益介质为半导体材料时，即称为半导体激光器（也称作半导体激光二极管，Laser Diode）。传统的固体与气体激光器（如Nd:YAG、He-Ne等）体积较大（即使小型化也需0.5~1米），功耗高且转换效率偏低（Nd:YAG在特定条件下最高约30%）。相比之下，半导体激光器具有转换效率高（最高可达40%~50%）、体积小（单颗谐振腔长通常为微米级）、功耗低以及波长覆盖范围广（从紫外到红外）等优势。在当前应用高度集成化、系统化的发展趋势下，体积小和功耗低成为半导体激光器的核心优势。

半导体材料的代际划分

半导体激光器的增益介质由半导体材料构成。半导体材料通常分为四代：

• 第一代半导体：以Si、Ge为代表，主要用于分立器件和芯片制造。20世纪50年代锗占主导，60年代后期硅逐渐取代锗。硅在地壳中储量丰富，随着大尺寸硅晶圆制备和硅基芯片工艺日趋成熟，硅基芯片技术遵循摩尔定律快速发展，形成了庞大的芯片产业。目前大多数芯片（如CPU、GPU、存储器、FPGA）均为硅基。

• 第二代半导体：指化合物半导体材料，如GaAs、InSb、InP等。相比第一代，具有更宽的禁带宽度、更高的耐压性能和更优的光电特性，适用于高速、高频、大功率发光电子器件，广泛应用于微波通信、卫星通信、光通信、光电器件和卫星导航等领域。

• 第三代半导体：以GaN、SiC、ZnO为代表，属于宽禁带半导体。具备高击穿电场、高饱和电子迁移率、高热导率及高电子密度等特点，常用于制造耐高温、高压及大功率电子器件，主要应用在半导体照明、光通信和电子功率器件等领域。

• 第四代半导体：具有超宽禁带特性，击穿电场比第三代更高，典型材料包括Ga₂O₃、AlN等，被称为超宽禁带半导体材料。它们能承受更高的电压和功率，适合制造大功率电子器件及高性能射频电子器件。

半导体激光器的工作原理

半导体激光器产生激光的核心原理是增益介质内部的粒子数反转导致的受激辐射效应。在热平衡状态下，半导体材料内部电子大多分布在价带顶，空穴分布在导带底，价带顶的电子浓度通常高于导带底。电子从低能级吸收能量跃迁到高能级的过程为受激吸收；高能级电子自发跳回低能级并释放光子的过程为自发辐射；高能级电子在外界激励下跃迁到低能级并释放相干光子的过程为受激辐射。热平衡时，低能级粒子数远多于高能级，受激吸收占主导，无法有效输出激光。当泵浦光持续作用，高能级粒子数逐渐增多，最终超过低能级粒子数，即实现粒子数反转。此时受激辐射概率大于受激吸收，释放的光子数多于泵浦光子数，从而实现光放大并输出相干光束。

激光产生需满足三个基本条件：①粒子数反转（可通过光泵浦或电泵浦实现）；②具备合适的光学谐振腔；③光学增益大于损耗（即达到阈值条件）。

半导体激光器的分类

按出光面的不同，半导体激光器可分为边发射激光器（EEL）和面发射激光器（SEL）。边发射型还包括回音壁模式（WGM）。面发射型按谐振腔结构分为垂直腔面发射激光器（VCSEL）和光子晶体面发射激光器（PCSEL）。

EEL与SEL的主要区别在于：EEL的谐振腔为水平方向，出光面平行于芯片平面；SEL的谐振腔为垂直方向，出光面垂直于芯片平面。在EEL结构中，谐振腔两端作为反射镜，有源区产生的非相干光在腔内多次振荡，经模式筛选和增益放大后输出激光。在SEL（以VCSEL为例）中，光在垂直方向的谐振腔之间振荡，上下DBR作为高反射层（反射率通常>99%）。

边发射激光器（EEL）输出的激光具有优异的单色性和方向性。在注入电流较低时，产生的光主要为自发辐射，相位和传播方向随机。EEL可利用晶体解理面形成F-P腔，使受激辐射光在腔内振荡形成驻波，依据腔长和驻波条件筛选出特定波长的光。谐振腔由两侧光学膜构成，光在腔内来回振荡，最终沿平行于衬底表面的方向出射。EEL是目前商业化最成功的结构，国内外激光器厂商的主流产品多为此类型。

市场概况与发展趋势

据智博统计与预测，2023年全球边发射激光器市场销售额为24.06亿美元，预计到2030年将增至46.04亿美元，年复合增长率（CAGR）为11.1%（2024-2030年）。全球核心厂商包括Coherent Corp.、Lumentum、Sony、Anritsu等，前四大厂商合计市场份额超过50%。2023年，DFB激光器占边发射激光器全球市场的26%，其中通信行业细分市场在预测期内的CAGR为10.24%，到2030年其份额预计达到约38%。持续增长的容量需求推动数据通信和电信市场加速采用边发射激光器。此外，3D传感器、LiDAR、医疗及照明等新兴应用将在未来几年蓬勃发展，有望成为EEL中长期潜在的超大规模应用领域。