1.面发光激光器的发展与面临的技术难题

所谓面发光激光器，就是光沿着垂直于基片方向发射的一种新型激光器。近年来，对这种激光器的研究，随着光计算机等光电子技术的悄然兴起是一天比一天地活跃。人们希望面发光激光器今后能在光运算、阵列光通信、光盘等广阔的技术领域内大显身手，因此，随之而来的许多新的激光现象便应运而生，像新出现的光集成电路就是这种发展态势最精彩的体现。

面发光激光器发出的光要沿着垂直于基片方向发射，须采用双异质相间的结构形式，并使所包含的激活层位于2块反射镜之上，在横向做成一至几微米的圆形，这样就可得到很强的光束，笔者曾于1077年提出过将晶体表里面作为反射镜的面发光激光器制作方案，1979年即获得了77 K液氮温度下的脉冲振荡，1988年又成功地实现了世界第一例室温下的连续振荡，如今仍在积极地寻求面发光激光器性能提高的途径。在笔者的研究室内，面发光激光器是由三种重要的半导体材料制成的，这三种半导体材料是：常用在光通信和光计量技术中的波长为0.8 μm的GaAs/Ga AlAs，波长为0.9~1.0μm的GalnAs/GaAs，以及作为光通信光源主要波段的、其波长为1.3 μm和1.5 μm的GaInAsP/InP。

面发光激光器的核心部分是激活层，它较之一般的激光器激活层厚度要薄很多，因此不容易引起振荡。鉴于这一点，如何使激光器谐振器的光损耗最小，而且又不致影响半导体器件的性能，或者换言之，如何制作一种高反射率的微小反射镜，就成了当前所面临的技术难题。

2、目前的研究现状与主要的技术成果

早在1986年，GaAs系的面发光激光器就取得了室温脉冲工作状态下低到6 mA的阈值电流，而当时商品激光器的阈值电流高达20-50 mA，所以6 mA的阈值电流在国际会议上一宣布，竟令专家们大为惊异，就连最初在发表面发光激光器的论文时，与“构思虽新颖，但无法变成实物”这种观点有共识的，也是不乏其人。

时至1988年秋，由于采用了一种新的晶体生长法——金属有机气相外延法（MOCVD），故使世界第一例室温下的连续振荡一举获得成功。以后在此基础上又完成了排列有20个面发光激光器的激光阵列。

我们知道，当两种不同的、光学厚度为1/4波长的半导体物质相互重叠在一起后，光反射会因光的干涉作用而增强。面发光激光器正是遵循了这种光学原理，通过晶体生长来制造谐振器，或者再由面发光激光器来集成光开关一类的光学器件。这样，就采用MOCVD法制成了具有多层介质薄膜的面发光激光器。多层介质薄膜由20对位于激活度一侧的AlAs和GaAlAs半导体材料组成。用这些介质薄膜制作的面发光激光器，在实现室温下脉冲振荡的同时，还看到了半导体多层薄膜具有高质量的反射镜性能。

围绕以上技术所展开的研究，目前在国内外都很兴盛。如对于振荡波长0.9 μm的GaInAs材料的研究，美国AT&T和UCSB公司的研究小组已创下振荡阈值低于1 mA的纪录，说明面发光激光器的性能增长十分显著。由于面发光激光器的侧面装有反射镜，日本NEC公司的研究人员还发现，再吸收自发发射光子的光循环过程的存在，将会使阈值进一步小到为零的程度。

另外，在光通信技术中，像产生1.3 μm或1.5 μm波长的GaInAs激光光源，现在已能在77 K温度下以6 mA的阈值电流持续工作，而且在这方面，可以说国内外学者的研究兴趣正浓，其中包括笔者所在研究室的一个研究小组在内就是如此，估计下一步有望实现室温下的脉冲振荡。

3.新的开发课题与必要的技术手段

对于本文所述的面发光激光器，人们总期望它具有更小直径如小于1 μm的激活区，并能以极低的阈值如1 μA量级以下连续运转。如果激光谐振器的尺寸在今后可以小到波长，那么光子的自发发射就有可能得到控制。所谓光子的自发发射，即原子和分子受到其他能量激励后自然发射光子的量子力学效应。然而迄今为止，还不曾有人揭示实现光子自发发射人工控制的可能性，但若作为面发光激光器的发展方向来考虑，则自发发射光子的光场将在谐振器的限制下，使光子的产生受到特定的约束，从而造成激光器从某个方向发出很强的光，如果说这种设想是可行的，那么无阈值发光装置的降生也就为期不远了。

只要激光器的电流损耗可以达到很小，大规模二维激光阵列的制作就不成问题。现在已能在3 mm见方的芯片上集成4×5的面发光激光器二维阵列，其中各元件的直径大约为5μm，相互间的距离是600 μm。若使每个面发光激光器独立驱动，便得到光运算用的列阵相干光源，若把面发光激光器设计成处理光通过的器件，即有了光开关。总而言之，对诸如此类用于光运算组件的开发，在目前是颇引人注目的，美国AT&T公司的贝尔实验室已制成了能形成数个二维激光阵列的面发光激光器，也许在不久的将来还能研制出同时集成上百万乃至上千万个激光阵列的面发光激光器。

按照二维配制的激光器，若使每个元件变成可调节的，则输出光的相干特性也就能得到相应的控制。当所有相位都相同时，即输出一个很强的光束，在这种情况下，只要少许改变一下相位，光束的发射方向也就随之发生改变；而当相位变化无规时，即得到等价的非相干光。前面已经说过，面发光激光器的谐振器尺寸要朝波长量级发展，因而开发出高速的光开关无疑是可能的。

在光纤传输方面，光缆所担负的通信容量已经很可观，如4000路，但是现在仅仅局限于区域网络（LAN）敷设。在今后，要敷设大规模的光纤通信网络，少不了要用到面发光激光器列阵光源，尤其是对长波长光源的需求，人们更是拭目以待。

光在计算机中可连接大规模集成电路（LSI），这种光学互连也是当今备受关注的开发课题。面发光激光器倘若能够实现实用化，那它在光计算机领域中将大有用武之地。目前，人们正在尝试光的并行运算，而且这方面的研究与开发工作日趋兴旺。光运算现在已是光计算机学科的一个新的分支。还有，对各种各样不同波长的面发光激光器、如三原色（R、G、B）面发光激光器的研究也是方兴未艾，一旦开发出相应的激光阵列，它定能在印刷工业中大放异彩。

但是，要让面发光激光器踏上实用化的道路，并不是一件轻而易举的事。就拿实现面发光激光器的实用化究竟从何处着手来说，一时还找不到答案。如今将面发光激光器作为一种理想的激光器来开发，而立足于实质性的基础研究固然是有价值的，可最终要推出实用的面发光激光器，在很大程度上还得取决于它本身的制作工艺，就好比不易制作大规模的集成电路（LSI）—样。由此可见，未来的面发光激光器的开发，与今天半导体晶体的生长法、微细蚀刻等生产技术的发展息息相关。就目前的技术水平看，只有当原子一层一层地连续铺盖的分子束外延生长法、以及微米量级以下精度的半导体加工法成熟之后，才真正意味着面发光激光器产品的问世。

〔应用物理（日），1992年第4期〕