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光电子激光(几种新体制半导体激光器及相关产业的现状、挑战和思考)

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发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

（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”概念的结合。利用拓扑结构中的边缘态概念，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非常适用于高功率锁模激光阵列和量子信息产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概念仅有两年（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国内外很多研究人员的关注，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能，进而实现激光器的定向单模激射。表 3 给出了几种不同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，出射方向可以通过器件拓扑结构进行调整，方向性高、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，利用拓扑对称的概念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]。

表3 几种基于拓扑态的拓扑绝缘体激光器

拓扑绝缘体激光器方面的发展仍处于物理概念提出和验证阶段。加强学科交叉，促进多学科、多领域合作，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、国内外半导体激光器产业发展现状

半导体激光产业已经成为整个激光产业的基石，而激光产业也已经成为人类社会生活不可分割的一部分。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，达到 146 亿美元。其中半导体激光器的市场规模（包括直接的半导体激光器，也包括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]。

以现有产业结构来看，整个行业主要包括材料、芯片、器件、模块、系统等几个应用节点，但无论是上游的材料和芯片产业还是中下游的器件、模块、系统产业无疑都是技术密集和资金密集型产业，需要大量的技术沉淀积累和巨额的资金投入。

经过数十年的发展，国外市场客户对产品的成本控制、器件性能的要求越来越全面，对产品的筛选也越来越严格，近年来，受到这些因素的影响，行业的发展出现了一些新的趋势。

从应用角度来讲，半导体激光器产品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爆发性的增长，但竞争也将进一步加剧。2018 年苹果手机中采用 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产业的深耕，带动和引导了市场的发展方向，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 等公司的竞争格局。

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，到通过合并重组产生的“巨无霸”型公司分割市场的竞争路线。如本来在产业界就占优势地位的 Lumentum 与Oclaro 公司的合并以及 II-VI 与 Finisar 公司的重组，势必对产业内其他中小型企业的生存现状产生严重影响。

近年来新形式的半导体激光器公司也获得了巨大发展，包括大型集成设计制造（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，以半导体激光器产品为其核心竞争力，但并不以它为最终产品形态。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发展，在企业内部实现了从材料、芯片、器件、模块、系统的完整集成。最早实现“垂直集成”的 IPG 公司据此奠定了在光纤激光器领域的绝对优势地位，尽管有多余的生产能力，但半导体激光器甚至不作为产品出售。

Foundry 企业主要从事外延和芯片工艺方面的工作。外延方面包括英国 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达到 60%，与 VCSEL 应用相对应的市场份额已达到 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 企业本身只从事半导体激光器设计和封装测试等工作，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 尽管本身具有垂直整合能力，但其 VCSEL 的设计和生产主要由IQE 和稳懋（WIN）代工完成；而 Avago 则将芯片工艺部分进行了剥离，将其位于科罗拉多的工厂出售给了台湾地区的稳懋，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品成本控制得更低。

从半导体激光器产业与上下游产业的关系来看，其产业带动能力强、先发效应明显，在产品中的性能比重远大于其价格比重。半导体激光器是系统应用的核心竞争力，对器件的功能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”。在半导体激光器产业成熟的这一过程中，领先者与追赶者的差距被进一步拉大。这是我国相关行业发展初期所面临的主要问题，尤其在中美贸易战爆发以后，这一问题得到了更充分的暴露。

近年来国家有针对性地对核心芯片进行了大力扶持，在人才和技术储备方面获得了一定的基础，先发效应的影响得到了一定程度的缓解，但各种措施的真正见效，仍然需要一个过程。

我国半导体激光器产业的发展，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，材料方面则更甚，相关企业规模均以中小型为主，从实力上难以与国外产品竞争。尽管政府的管理和支持热情很高，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，难以形成良好的产业链。整个产业处于有前景的产品无法获得市场，市场资金不愿支持技术开发的恶性循环中。某些成功的系统企业认识到了这一问题，进行了垂直产业整合努力，但遇到了较大的困难，进展缓慢。

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