分布式布拉格反射器如何彻底改变光控制：工程反射结构的科学、技术及未来影响（2025）

• 分布式布拉格反射器（DBRs）简介
• 基础物理：DBRs如何操控光
• DBRs的材料和制造技术
• 光子学和光电学中的关键应用
• 半导体激光器和LED中的DBRs
• 性能指标：反射率、带宽和稳定性
• 新兴趋势：量子和集成光子学中的DBRs
• 市场增长和公众关注：2024–2030年预测
• 领先的行业参与者和研究机构
• 未来展望：创新和扩展应用
• 来源与参考文献

分布式布拉格反射器（DBRs）简介

分布式布拉格反射器（DBR）是一种高度工程化的光学结构，由交替的具有不同折射率的材料层组成。这些材料层通常以定期的方式排列，每层的厚度精确控制为目标光波长的四分之一。这种配置使得在特定波长处反射光的相位能够产生构造性干涉，从而实现狭窄光谱范围内的高反射率。DBR是多种光子学和光电设备中的基础组件，包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、谐振腔发光二极管（RCLED）和光学滤波器。

DBR的原理基于布拉格定律，该定律描述了从周期性结构反射的光可产生构造性干涉的条件。当光遇到两个具有不同折射率的材料之间的界面时，部分光被反射。通过堆叠多个这样的界面，不同界面反射的波能够在某些波长上得到构造性叠加，从而显著提高整体反射率。层对的数量和材料之间的折射率对比决定了DBR的反射率和带宽。

DBR的制造采用先进的薄膜沉积技术，如分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD），这些技术能够对层的厚度和成分实现原子级控制。这些方法在半导体工业中被广泛使用，以生产高质量的DBR，集成到可在可见光、红外甚至紫外光谱区域操作的设备中。DBR材料的选择取决于应用和所需的工作波长；常见的材料系统包括GaAs/AlAs用于近红外应用，SiO₂/TiO₂用于可见光。

DBR在现代光子学中扮演着关键角色，使得高效的光束限制、波长选择性和低损耗反射成为可能。它们的精确光学特性使其在电信、激光技术和传感应用中不可或缺。Optica（前OSA）和电气和电子工程师协会（IEEE）等组织定期发布与DBR的设计、制造和应用相关的研究和标准，反映它们在推动光学科学和技术进步中的重要性。

基础物理：DBRs如何操控光

分布式布拉格反射器（DBR）是一种由多层交替材料组成的周期性结构，这些材料具有不同的折射率。DBR的基础物理基于光波在这些层之间的界面上的构造和破坏性干涉原则。当光遇到DBR时，每个界面部分反射并传输入射波。如果每层的光学厚度精确为目标波长的四分之一（λ/4），则来自连续界面的反射波在该波长下相加构成性干涉，从而在特定光谱范围内（称为停止带或光子带隙）产生高反射率。

DBR的高反射率源于反射波的相干叠加。对于针对中心波长λ₀设计的DBR，每个层的光学厚度（n·d）设置为λ₀/4，其中n为折射率，d为物理厚度。这种配置确保相邻界面反射之间的相位差为180度，使反射波相互增强。相反，停止带以外的波长经历破坏性干涉，使它们可以通过结构以最低的反射率透过。

停止带的宽度和位置取决于交替层之间的折射率对比和层对的数量。更高的折射率对比和更多的周期数都会增加反射率并拓宽停止带。这使得DBR在特定光学应用中具有高度的可调性，例如在垂直腔面发射激光器（VCSEL）中的镜子、波长滤波器和光学腔体。

DBR是现代光子学和光电学的关键组成部分。它们精确操控光的能力被广泛应用于从半导体激光器到太阳能电池及量子阱结构等各种设备中。基础物理与光子晶体的概念密切相关，光子晶体通过对折射率的周期性调制为光子创造了允许和禁止的能量带，类似于半导体中的电子能带结构。这一光子带隙效应是DBR运作的核心，使其能够在纳米尺度上控制光的传播。

DBR的研究与开发受到光子学的领先科学组织和工业参与者的推动，包括Optica（前OSA）和美国物理学会，后者提供光学和光子学方面的基础研究和标准。这些组织通过召开会议、出版物和合作研究计划，为DBR技术的进步做出贡献。

DBRs的材料和制造技术

分布式布拉格反射器（DBRs）是由交替材料构成的周期性多层结构，这些材料具有对比的折射率。DBR的性能——其反射率、带宽和工作波长范围——在很大程度上依赖于材料的选择和制造技术的精度。DBRs最常用的材料是介电或半导体化合物，因其光学透明性、折射率对比和与设备集成的兼容性而被选中。

在可见光和近红外光谱区域，介电DBR通常利用二氧化硅（SiO₂，低折射率）和二氧化钛（TiO₂，高折射率）或氮化硅（Si₃N₄）作为高折射率层。这些材料以其低光学吸收和高损伤阈值受到青睐。对于基于半导体的DBR，特别是在诸如垂直腔面发射激光器（VCSEL）等光电设备中，常用的材料系统包括交替层的砷化镓（GaAs）和砷化铝（AlAs），或磷化铟（InP）和磷化铟镓（InGaAsP）。这些组合是晶格配合的，以尽量减少缺陷，并与标准基板上的外延生长兼容，这对高性能光子设备至关重要（Optica）。

DBR的制造需要对层厚度和界面质量进行精确控制，因为偏差会显著降低反射率。多种沉积技术被采用，每种技术都有其独特的优点。物理气相沉积（PVD）方法，如电子束蒸发和溅射，被广泛用于介电DBR，因为它们能够沉积均匀、高纯度的薄膜。化学气相沉积（CVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）也很常见，特别是对于基于硅的材料，它们具有优异的覆盖和相容性。

对于半导体DBR，分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）是主流技术。MBE提供原子层精度，适用于研究和高性能设备，而MOCVD则因其更高的通量而更适合大规模生产。这两种方法均能实现突出的、无缺陷的界面生长，这对在先进光子应用中实现高反射率和低光学损耗至关重要（美国物理学会）。

材料科学的最新进展引入了新材料，如宽带隙氧化物和二维材料，用于专用DBR应用，包括紫外线和中红外反射器。此外，与硅光子学平台的集成正在推动与CMOS兼容的DBR制造工艺的发展，扩大了在电信和量子技术中的应用范围（IEEE）。

光子学和光电学中的关键应用

分布式布拉格反射器（DBRs）是现代光子学和光电学中的基础组件，因为它们能够通过周期性绝缘或半导体层结构有效反射特定波长的光。它们独特的光学特性使得在各个领域得到广泛应用。

DBRs最显著的用途之一是用于垂直腔面发射激光器（VCSELs）。在这些设备中，DBRs作为高度反光的镜子组成激光腔，能够有效发出垂直于晶片表面的光。DBR提供的对反射率和停止带宽的精确控制对实现VCSEL的低阈值电流和高输出功率至关重要，这些激光器广泛用于数据通信、传感和3D成像应用。像III-Vs Review和Optica（前OSA）等组织记录了DBR在推动VCSEL技术方面的核心作用。

DBR在高性能光电探测器和发光二极管（LED）中的设计也至关重要。在光电探测器中，DBR可以用来通过反射未被吸收的光子回到活性区域，增强量子效率，从而增加光子被吸收的概率。在LED中，DBR被用于通过反射内部生成的光子朝向设备表面来提高光提取效率。这种方法在微型LED和其他先进显示技术中尤其重要，正如IEEE和SPIE两大电子和光子学专业协会的研究所强调的。

另一个关键的应用领域是光学滤波器和波长选择性设备。DBR用于构建窄带和宽带滤波器，这在光纤通信的波长分复用（WDM）系统中至关重要。它们提供尖锐的光谱选择性和低插入损耗的能力，使其在多个光信号的复用和解复用应用中理想。此外，DBR还被用于制造谐振腔增强光子设备，如调制器和传感器，这些设备需要对共振条件进行精确控制。

除了电信和照明外，DBR在量子光子学和集成光子电路等新兴领域中的应用也越来越普遍。它们与半导体制造工艺的兼容性使得可以与其他光电组件单片集成，为紧凑的高性能光子系统铺平道路。随着研究和开发的不断进行，DBR的多功能性和有效性确保其在光子学和光电学进化中的持续重要性。

半导体激光器和LED中的DBRs

分布式布拉格反射器（DBRs）是半导体激光器和发光二极管（LED）设计和操作中的关键组件。DBR由多个交替的具有不同折射率的材料层构成，通常采用分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）等外延生长技术制造。每层的厚度精确控制，通常为目标波长的四分之一，从而在特定波长上实现构造性干涉，并因此在这些波长上具有高反射率。

在半导体激光器中，如垂直腔面发射激光器（VCSEL）和边缘发射激光器，DBR作为高效镜子定义了光学腔。DBR提供的高反射率（通常超过99%）对于实现激光作用所需的光学反馈至关重要，特别是在VCSEL中，顶部和底部镜子通常都是DBR。使用DBR使实现低阈值电流、高输出功率和波长选择性成为可能，这在光通信、传感和数据中心应用中至关重要。例如，在基于GaAs的VCSEL中，常用的DBR结构由交替的AlAs和GaAs层构成，利用这些材料之间显著的折射率对比以最大限度地提高反射率，并保持可控的层对数量。

在LED中，DBR被用于提高光提取效率。通过反射那些本应因基材吸收或在次优角度逃逸的光子，DBR可以增加以所需方向离开设备的生成光的比例。这在高亮度LED和需要定向发射的设备中显得尤为重要，例如在显示背光或汽车照明中。DBR在LED中的集成还可以实现谐振腔LED（RCLED），这些LED与传统LED相比具有更好的光谱纯度和方向性。

DBR的设计与制造需仔细考虑材料兼容性、热膨胀系数和界面质量，以确保设备的可靠性和性能。领先的研究机构和半导体制造商，例如imec和OSRAM，在激光器和LED的DBR结构开发和优化中作出了重要贡献。这些组织专注于推进外延生长技术，探索新材料系统，并改善DBR与其他光子组件的集成，以满足光电应用日益发展的需求。

性能指标：反射率、带宽和稳定性

分布式布拉格反射器（DBRs）是广泛用于激光器、光子设备和电信中的关键光学组件，因其能够高效反射特定波长而受到重视。DBR的性能主要由三个关键指标来表征：反射率、带宽和稳定性。

反射率是DBR最基本的性能参数。它量化了在目标波长下结构反射的入射光的比例。通过叠加具有对比折射率的交替材料层，每层的光学厚度为设计波长的四分之一，能够实现高反射率，通常超过99%。层对的数量和折射率对比直接影响可达到的最大反射率。例如，DBR是垂直腔面发射激光器（VCSEL）操作的关键，其中高反射镜对于高效的激光作用至关重要。像OSRAM和Coherent等组织在基于DBR的设备开发和制造中处于前沿，通过先进的材料沉积技术优化反射率。

带宽是指DBR保持高反射率的光谱范围。带宽取决于交替层之间的折射率对比和层对的数量。折射率对比越高和层对数量越多，停止带就会越宽，使得DBR能够反射更广泛的波长。这一特性对波长选择性滤波器和可调激光器等应用至关重要，其中需要对反射光谱进行精确控制。包括国家标准与技术研究所（NIST）在内的研究机构和行业领导者在DBR带宽的理解和测量方面做出了贡献，确保其在要求严格的光子系统中的可靠性能。

稳定性涵盖了DBR在不同环境条件下随着时间的推移所表现出的物理和光学稳定性。稳定性受热膨胀、材料相互扩散和机械应力等因素的影响。高质量的制造工艺，如分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD），被用来确保DBR的长期稳定性，特别是在高功率或温度敏感的应用中。Optica（前美国光学学会）为DBR稳定性的表征和测试提供标准和指南，支持可靠光子设备的开发。

总之，分布式布拉格反射器的性能由其反射率、带宽和稳定性决定，这每一个指标对于其在先进光学和光子系统中的集成都至关重要。材料科学和制造技术的持续进步不断提升这些指标，促进了新的应用和设备性能的改进。

新兴趋势：量子和集成光子学中的DBRs

分布式布拉格反射器（DBRs）是由交替材料构成的多层结构，这些材料具有不同的折射率，旨在通过构造性干涉反射特定波长的光。近年来，DBR在量子和集成光子学的进步中变得至关重要，这些领域正迅速演变为量子计算、安全通信和下一代光学电路的基础技术。

一个关键的新兴趋势是将DBR集成到量子光子设备中，在这些设备中，它们作为微腔和谐振器中的高反射镜。这些结构对于增强光物质相互作用至关重要，这是实现高效单光子源和量子发射器的关键要求。例如，DBR在垂直腔面发射激光器（VCSEL）和量子点微腔中得到应用，能够精确控制光子的发射和收集。这一能力对可扩展的量子信息处理和量子密钥分发系统至关重要，如国家标准与技术研究所和麻省理工学院等领先机构的研究合作所展示。

在集成光子学中，DBR越来越多地采用先进材料，如硅、III-V半导体，甚至二维材料制造。与现有半导体制造流程的兼容性使得它可以与其他光子组件，如波导、调制器和探测器，进行单片集成。这种集成对于开发紧凑的、低损耗且能效高的光子电路至关重要，这些电路是EUROPRACTICE和imec等组织推进光子集成电路研究与原型的核心内容。

另一个显著的趋势是DBR在混合量子系统中的应用，它们促进了光子与固态量子比特之间的强耦合，例如钻石中的颜色中心或碳化硅中的缺陷。这种强耦合对于实现量子网络和分布式量子计算架构至关重要。此外，使用具有电光或热光特性的材料开发的可调和可重构DBR推动了对光子设备的动态控制，这一特性在可编程量子光子处理器中越来越受到追捧。

随着量子和集成光子学的不断融合，DBR的角色预计将扩大，受到主要实验室持续研究和不断壮大的光子铸造厂生态系统的推动。DBR制造和集成技术的持续完善将对满足未来量子技术严格的性能要求至关重要。

市场增长和公众关注：2024–2030年预测

分布式布拉格反射器（DBRs）的市场在2024年至2030年之间将实现显著增长，主要受益于在光电、通信和光子学中日益扩展的应用。DBR是由交替层构成的周期性结构，具有不同折射率，是垂直腔面发射激光器（VCSEL）、发光二极管（LED）和光学滤波器等设备的基本组件。它们高效反射特定波长的能力，使其在商业和研究环境中不可或缺。

到2025年，由于高速光通信网络的普及以及向5G及更高技术的持续过渡，DBR的需求预计将加速。电信行业在波长选择性镜子和滤波器上对DBR的依赖性很大，这对密集波长分复用（DWDM）系统的成功至关重要。设定信息和通信技术全球标准的国际电信联盟（ITU）强调了在支持下一代网络基础设施中先进光子组件的重要性。

光电行业是另一个主要推动力，DBR在用于数据中心、面部识别和汽车激光雷达系统的VCSEL性能中扮演着核心角色。光子和光学的领先科学社交团体Optica（前OSA）定期发布研究，强调DBR基设备在这些领域的进展和日益增长的采用。此外，推动更节能和微型化的光电装置的需求正在促进DBR设计和制造中的创新。

公众对DBR的兴趣也在上升，因为这些结构越来越多地出现在量子计算、生物传感和先进医学成像等新兴技术中。研究机构和行业领导正在投资于新型DBR材料的开发，包括半导体和介电材料的组合，以提高反射率、带宽和热稳定性。电气和电子工程师协会（IEEE）作为电子和工程领域的全球权威，记录了DBR在促进多个科学领域突破中的不断扩展角色。

总体而言，2024年至2030年期间，分布式布拉格反射器的市场预计将实现稳健的增长，得益于技术进步、投资增加和应用领域的拓宽。随着各行业持续优先考虑高性能光学组件，DBR将继续处于光子学和光电领域创新的前沿。

领先的行业参与者和研究机构

分布式布拉格反射器（DBRs）是现代光子学、光电学和半导体设备中的关键组件，是特定波长范围的高效镜子。DBR的开发和商业化涉及先进材料科学、精密制造和创新设计的结合，行业和研究机构均在全球发挥重要作用。

在领先的行业参与者中，OSRAM作为全球光电组件的领导者，尤其是在高性能LED和激光二极管的DBR方面表现突出。OSRAM在外延生长和薄膜沉积方面的专业技术使其能够生产具有精确反射率和光谱特性的DBR，这对于照明、汽车及传感技术的应用至关重要。另一家主要参与者Coherent因其先进的光子解决方案而闻名，包括在电信、医疗设备和工业应用中使用的基于DBR的激光系统。Coherent的垂直整合生产使得对DBR层厚度和均匀度实现严格控制，确保了设备的高可靠性。

在半导体领域，Infineon Technologies在其光电子和功率设备中利用DBR结构，特别是高效率的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。Infineon的研发重点是将DBR与其他半导体技术集成，以提升设备的性能和能效。类似地，Nichia Corporation作为LED技术的先驱，利用DBR优化其先进LED产品的光提取和色纯度。

在研究前沿，多个机构在DBR创新方面处于前沿。麻省理工学院（MIT）进行前沿研究，探索新型DBR材料，如光子晶体和混合有机-无机结构，以扩大DBR的工作带宽和可调性。在欧洲，法国国家科学研究中心（CNRS）与大学和工业协作开发下一代激光器和量子光子学的DBR。日本的RIKEN研究所在纳米结构DBR方面也颇具声望，专注于量子信息和集成光子电路的应用。

这些组织通过持续在研究、开发和制造上的投资，推动DBR技术的进步，使新的通信、传感和量子技术应用成为可能。它们与学术和工业合作伙伴的协作，确保DBR在2025年及以后仍然处于光子创新的核心。

未来展望：创新和扩展应用

展望2025年，分布式布拉格反射器（DBRs）的未来以快速创新和在光子学、光电学和量子技术中扩展应用为特征。DBR作为由交替层构成的周期性结构，具有高反射率和波长选择性，一直以来都是关键组件。随着制造技术的进步，DBR的生产精度和可扩展性正在提高，从而使得新的设备架构和性能提升成为可能。

一个最具前景的创新领域是将DBR与新兴半导体材料集成，如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。这些材料对于下一代垂直腔面发射激光器（VCSEL）和微型LED等高功率和高频光电设备至关重要。优化的DBR设计正在实现更高效的光提取和热管理，这是这些设备小型化和可靠性的关键。像OSRAM和Cree, Inc.这样的组织正在积极开发基于DBR的解决方案，应用于先进的照明和显示技术。

在量子光子学中，DBR正被设计为纳米尺度的高质量光学腔和镜子，用于单光子源和量子点激光器。这些组件是量子通信和计算系统的基础，其中需要对光子发射和传播进行精确控制。研究机构和行业领导者，包括IBM和国家标准与技术研究所（NIST），正在探索新型DBR配置，以提升量子设备的性能。

另一个日益扩展的应用领域是生物传感和医学诊断。DBR被集成到实验室芯片平台和光学传感器中，以实现对生物分子高灵敏度和特异性的检测。其提供的窄带反射和可调光学特性使其非常适合于多重检测和实时监测。国家卫生研究院（NIH）和领先大学支持对基于DBR的生物传感器在早期疾病检测和个性化医疗中的研究。

展望未来，先进材料、纳米制造和集成光子技术的融合预计将推动DBR技术的进一步突破。随着对高性能光学组件的需求在电信、量子信息和医疗领域不断增长，DBR将在下一代设备和系统的实现中继续发挥关键作用。

来源与参考文献

• 电气和电子工程师协会（IEEE）
• SPIE
• imec
• OSRAM
• Coherent
• 国家标准与技术研究所（NIST）
• 麻省理工学院
• EUROPRACTICE
• 国际电信联盟
• Infineon Technologies
• Nichia Corporation
• 法国国家科学研究中心（CNRS）
• RIKEN
• Cree, Inc.
• IBM
• 国家卫生研究院（NIH）