超寬帶MTC設計量子級聯(lián)激光器的能帶圖

近期，中科院長春光機所孟博研究員團隊在《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)設計(MTC設計)，實現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，成為寬調諧中紅外激光光源、超短脈沖生成以及中紅外光學頻率梳等前沿應用的關鍵器件。

受限于有源區(qū)能帶工程的設計復雜性，當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(可以實現的光譜寬度遠不足1 μm)，嚴重制約了其在寬帶光譜調控與精密測量等場景中的應用潛力。

對角多態(tài)-連續(xù)態(tài)設計

本研究團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)設計方案，該結構采用應力補償材料體系構建。經優(yōu)化設計后，兩個注入區(qū)能級(4和6)與有源區(qū)的上激光能級5形成了強耦合。電子可通過三個上激光能級(4-6)向下激光能級(1-3)進行對角躍遷，多個躍遷通道同時貢獻增益，顯著拓寬了有源區(qū)的增益帶寬。

超寬電致發(fā)光譜

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

超寬帶MTC設計量子級聯(lián)激光器的振子強度與電致發(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紅移趨勢，最終移至9.2μm。進一步增加電流至反轉電流時，激光光譜寬度會持續(xù)拓寬到1.2 μm，中心波長呈現藍移現象，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現的最寬激光光譜。80 K下同一器件獲得1.93 μm激光譜寬。

超寬帶MTC設計量子級聯(lián)激光器室溫和低溫下的光譜

技術創(chuàng)新助力多維度應用

該成果成功攻克了單有源區(qū)QCL譜寬受限的關鍵難題，為構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基金、吉林省科技發(fā)展計劃等項目的支持。長春光機所孟博研究員為本文通訊作者，長春光機所博士研究生劉鵬為本文的第一作者，南洋理工大學王岐捷教授等對本工作給予了重要幫助。

審核編輯 黃宇