长春光机所在宽光谱中红外量子级联激光器方面取得新突破

超宽带MTC设计量子级联激光器的能带图

近期，中科院长春光机所孟博研究员团队在《light: science & applications》发表了题为 “Ultra-broadband single-stack mid-infrared semiconductor lasers grown by MOCVD”的研究论文。团队提出了一种新型的中红外单核量子级联激光器有源区设计(MTC设计)，实现了具有超宽增益谱和超宽室温激光光谱的量子级联激光器，成为宽调谐中红外激光光源、超短脉冲生成以及中红外光学频率梳等前沿应用的关键器件。

受限于有源区能带工程的设计复杂性，当前长波红外单有源区量子级联激光器的电致发光光谱半高全宽(FWHM)普遍低于600 cm-1(可以实现的光谱宽度远不足1 μm)，严重制约了其在宽带光谱调控与精密测量等场景中的应用潜力。

对角多态-连续态设计

本研究团队提出了一种基于对角跃迁的多能态-连续态(MTC)有源区设计方案，该结构采用应力补偿材料体系构建。经优化设计后，两个注入区能级(4和6)与有源区的上激光能级5形成了强耦合。电子可通过三个上激光能级(4-6)向下激光能级(1-3)进行对角跃迁，多个跃迁通道同时贡献增益，显著拓宽了有源区的增益带宽。

超宽电致发光谱

实验中采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术完成外延生长，并分别制备了mesa结构的和法布里-珀罗(FP)结构的量子级联激光器器件。在脉冲条件下，对mesa结构器件在11 V到16 V的偏压范围内的电致发光(EL)光谱进行了测试。在温度为298 K下，当偏置电压为11 V时，EL光谱的最大半高全宽为75.6 meV，这一结果代表了目前在长波红外波段中所实现的最宽EL宽度。

超宽带MTC设计量子级联激光器的振子强度与电致发光(EL)光谱的比较

超宽激光光谱

该器件在电流动态范围内不同注入电流下的激光光谱特性如下：在阈值电流附近，器件呈现出窄带激光光谱特性，其中心波长位于8.8 µm。在注入电流增至2.5 A的过程中，光谱宽度随电流升高逐渐展宽，同时中心波长会呈现红移趋势，最终移至9.2µm。进一步增加电流至反转电流时，激光光谱宽度会持续拓宽到1.2 µm，中心波长呈现蓝移现象，最终稳定在8.0 µm。1.2 µm的光谱宽度代表了在室温下单一有源区量子级联激光器在相近波长下所能实现的最宽激光光谱。80 K下同一器件获得1.93 μm激光谱宽。

超宽带MTC设计量子级联激光器室温和低温下的光谱

技术创新助力多维度应用

该成果成功攻克了单有源区QCL谱宽受限的关键难题，为构建面向中红外频率梳、高精度宽光谱传感、成像及自由空间通信的集成化高效光源开辟了新途径。

本研究得到国家自然科学基金、吉林省科技发展计划等项目的支持。长春光机所孟博研究员为本文通讯作者，长春光机所博士研究生刘鹏为本文的第一作者，南洋理工大学王岐捷教授等对本工作给予了重要帮助。

审核编辑 黄宇