超寬帶MTC設(shè)計量子級聯(lián)激光器的能帶圖

近期，中科院長春光機(jī)所孟博研究員團(tuán)隊在《light: science & applications》發(fā)表了題為 “Ultra-broadband single-stack mid-infrared semiconductor lasers grown by MOCVD”的研究論文。團(tuán)隊提出了一種新型的中紅外單核量子級聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計(MTC設(shè)計)，實(shí)現(xiàn)了具有超寬增益譜和超寬室溫激光光譜的量子級聯(lián)激光器，成為寬調(diào)諧中紅外激光光源、超短脈沖生成以及中紅外光學(xué)頻率梳等前沿應(yīng)用的關(guān)鍵器件。

受限于有源區(qū)能帶工程的設(shè)計復(fù)雜性，當(dāng)前長波紅外單有源區(qū)量子級聯(lián)激光器的電致發(fā)光光譜半高全寬(FWHM)普遍低于600 cm-1(可以實(shí)現(xiàn)的光譜寬度遠(yuǎn)不足1 μm)，嚴(yán)重制約了其在寬帶光譜調(diào)控與精密測量等場景中的應(yīng)用潛力。

對角多態(tài)-連續(xù)態(tài)設(shè)計

本研究團(tuán)隊提出了一種基于對角躍遷的多能態(tài)-連續(xù)態(tài)(MTC)有源區(qū)設(shè)計方案，該結(jié)構(gòu)采用應(yīng)力補(bǔ)償材料體系構(gòu)建。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，兩個注入?yún)^(qū)能級(4和6)與有源區(qū)的上激光能級5形成了強(qiáng)耦合。電子可通過三個上激光能級(4-6)向下激光能級(1-3)進(jìn)行對角躍遷，多個躍遷通道同時貢獻(xiàn)增益，顯著拓寬了有源區(qū)的增益帶寬。

超寬電致發(fā)光譜

實(shí)驗中采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)完成外延生長，并分別制備了mesa結(jié)構(gòu)的和法布里-珀羅(FP)結(jié)構(gòu)的量子級聯(lián)激光器器件。在脈沖條件下，對mesa結(jié)構(gòu)器件在11 V到16 V的偏壓范圍內(nèi)的電致發(fā)光(EL)光譜進(jìn)行了測試。在溫度為298 K下，當(dāng)偏置電壓為11 V時，EL光譜的最大半高全寬為75.6 meV，這一結(jié)果代表了目前在長波紅外波段中所實(shí)現(xiàn)的最寬EL寬度。

超寬帶MTC設(shè)計量子級聯(lián)激光器的振子強(qiáng)度與電致發(fā)光(EL)光譜的比較

超寬激光光譜

該器件在電流動態(tài)范圍內(nèi)不同注入電流下的激光光譜特性如下：在閾值電流附近，器件呈現(xiàn)出窄帶激光光譜特性，其中心波長位于8.8 μm。在注入電流增至2.5 A的過程中，光譜寬度隨電流升高逐漸展寬，同時中心波長會呈現(xiàn)紅移趨勢，最終移至9.2μm。進(jìn)一步增加電流至反轉(zhuǎn)電流時，激光光譜寬度會持續(xù)拓寬到1.2 μm，中心波長呈現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，最終穩(wěn)定在8.0 μm。1.2 μm的光譜寬度代表了在室溫下單一有源區(qū)量子級聯(lián)激光器在相近波長下所能實(shí)現(xiàn)的最寬激光光譜。80 K下同一器件獲得1.93 μm激光譜寬。

超寬帶MTC設(shè)計量子級聯(lián)激光器室溫和低溫下的光譜

技術(shù)創(chuàng)新助力多維度應(yīng)用

該成果成功攻克了單有源區(qū)QCL譜寬受限的關(guān)鍵難題，為構(gòu)建面向中紅外頻率梳、高精度寬光譜傳感、成像及自由空間通信的集成化高效光源開辟了新途徑。

本研究得到國家自然科學(xué)基金、吉林省科技發(fā)展計劃等項目的支持。長春光機(jī)所孟博研究員為本文通訊作者，長春光機(jī)所博士研究生劉鵬為本文的第一作者，南洋理工大學(xué)王岐捷教授等對本工作給予了重要幫助。

審核編輯 黃宇