量子級聯(lián)激光器（qcl）被認(rèn)為是中遠(yuǎn)紅外（IR）波長范圍內(nèi)靈活荆隘、強大的光源之一，涵蓋了與紅外應(yīng)用相關(guān)的大多數(shù)關(guān)鍵光譜區(qū)域赴背。QC激光器基于帶隙工程的突破性概念椰拒，由Capasso1和他的同事Faist等人在貝爾實驗室開發(fā)凰荚，并基于Kazarinov和Suris在1971年的早期工作燃观。這一創(chuàng)新導(dǎo)致了光學(xué)材料的“設(shè)計”便瑟，通過仔細(xì)定制半導(dǎo)體多層導(dǎo)帶中的子帶間躍遷缆毁，為半導(dǎo)體激光器進入以前無法進入的電磁波譜中紅外波長范圍鋪平了道路到涂。
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量子級聯(lián)激光器：長波紅外（λ>6 μm）的設(shè)計
qcl今天能夠在λ = 3-24 μm范圍內(nèi)發(fā)光，并且z近已經(jīng)引入到太赫茲域屿讽，可能導(dǎo)致光電集成的新水平由于有可能利用為電信/數(shù)據(jù)通信組件市場開發(fā)的已經(jīng)成熟的InP和GaAs技術(shù)箫爷，qcl已經(jīng)顯示出令人印象深刻的快速技術(shù)發(fā)展。自1994年成立以來聂儒，2QC激光器僅在幾年后就實現(xiàn)了室溫（RT）脈沖操作虎锚，并在2008年實現(xiàn)了連續(xù)（CW） RT操作衩婚。由于不斷推動這項技術(shù)的工業(yè)化窜护，由Cho首創(chuàng)的分子束外延（MBE）進行的初始材料開發(fā)工作近年來已擴展到更標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)平臺非春，用于材料生長柱徙，金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）mocvd生長的QC激光器已經(jīng)迅速達(dá)到了與mbegrow設(shè)備相當(dāng)?shù)腞T性能，并且在RT后不久就顯示出連續(xù)運行MOCVD生長的qcl在中波紅外（MWIR）13和長波紅外（LWIR）波長下的高功率連續(xù)工作已經(jīng)被證明护侮。
盡管qcl具有巨大的前景敌完，但直到z近，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和制造qcl的困難使這些設(shè)備僅僅是實驗室工具羊初。z近的進展主要是為了提高MWIR的電光轉(zhuǎn)換效率，這極大地促進了技術(shù)從實驗室到工業(yè)的轉(zhuǎn)移长赞。我們團隊的研究成果在功率輸出和插拔效率方面取得了飛躍晦攒，z終可以實現(xiàn)這些設(shè)備的現(xiàn)場部署。目前得哆，qcl能夠在單發(fā)射器的MWIR范圍內(nèi)提供瓦級輸出功率脯颜，其壁插效率超過10%贩据，并且正在迅速接近lwir的可比工作特性栋操。
圖1
光譜的長波-紅外區(qū)域通常定義為延伸到第二個大氣透射窗口（即λ = 8-12 μm）饱亮。對于LWIR中的波長讼庇，由于與自由電子相關(guān)的吸收損失增加近尚，波長較長導(dǎo)致的光約束較弱，以及由于制造具有較厚波導(dǎo)和光學(xué)涂層的器件而遇到的困難场勤，因此出現(xiàn)了一些工程挑戰(zhàn)。隨著所設(shè)計器件的波長向LWIR窗口的遠(yuǎn)紅外端移動和媳，所有這些因素都會導(dǎo)致器件性能逐漸惡化格遭。圖1實際說明了這一概念，顯示了AdTech制造的激光器的典型輸出功率分布作為設(shè)計波長的函數(shù)留瞳，其中長波輸出功率從λ ~ 7 μm處的總功率P = 1 W逐漸下降到11.5 μm及以上波長的P = 10-100 mW范圍。激光性能的一個基本貢獻(xiàn)是當(dāng)然給出了活動區(qū)域的設(shè)計她倘。作為對圖1-3的評論璧微，在以下段落中，對主動設(shè)計對激光性能的影響進行了一定程度的討論硬梁。作為一般指導(dǎo)原則前硫，在接下來的討論和圖1的說明中荧止，我們只考慮經(jīng)過優(yōu)化并證明在其波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出色的設(shè)計屹电。這些是基于幾個概念的設(shè)計，這些概念在qcl發(fā)明后的15年左右時間里得到了驗證和發(fā)展危号。因此牧愁，這里介紹的器件是集成了許多關(guān)鍵元素的結(jié)果，這些元素在激光的帶結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)中已經(jīng)被理解了很長一段時間外莲。關(guān)于這個主題的廣泛討論超出了本文的范圍。
圖2
在較短的光譜端（MWIR, λ = 3-5 μm）苍狰，性能下降主要是由于缺乏與激光發(fā)射所需的躍遷能量增加相關(guān)的電子量子約束办龄。在光譜的較長波長的一邊，性能下降與更復(fù)雜的因素組合有關(guān)淋昭。LWIR波長下光發(fā)射減弱的主要原因包括自由載流子和子帶間吸收導(dǎo)致的光損耗增加俐填，以及材料中波長增加導(dǎo)致的光約束減少翔忽。事實上英融，根據(jù)αel ~ λn歇式，自由電子吸收隨波長的增加而增加驶悟，其中功率依賴性在n = 2 ~ 3范圍內(nèi)材失，而隨著躍遷能量的降低痕鳍，子帶間吸收變得更強，這是由于活性材料注入/弛豫區(qū)低能態(tài)之間的躍遷所需的動量交換比高能躍遷更小笼呆。對于光約束，如果考慮有效折射率近似為n = 3.2的材料中的波長旨别，則λ = 4.5 μm和λ = 10 μm的自由空間激光波長分別可以估計出λ/n = 1.4和3.1 μm诗赌。由于器件的幾何形狀以及制造和設(shè)計的限制，典型的主動導(dǎo)芯厚度在DAR = 1.5 ~ 2.5 μm范圍內(nèi)秸弛。因此，λMWIR/n < DAR < λLWIR/n递览，我們可以預(yù)期叼屠，雖然MWIR激光器將具有較高的約束因子，通常在85%范圍內(nèi)绞铃，但LWIR激光器將無法達(dá)到類似的重疊因子，通常在60-70%范圍內(nèi)憎兽。圖2說明了這一概念冷离，繪制了光模式約束作為波長的函數(shù)吵冒，對于具有相似波導(dǎo)參數(shù)的MWIR和LWIR激光器。
圖3
LWIR激光器的優(yōu)點之一是能夠充分利用晶格匹配和應(yīng)變補償InGaAs/InAlAs材料的帶隙偏移痹栖，而MWIR激光器需要高應(yīng)變生長以改善電子約束，從而提高電流注入效率瞭空。這種MWIR設(shè)計方法的缺點是需要高偏置電壓揪阿，這反過來又有助于產(chǎn)生更大的熱功率。LWIR范圍內(nèi)的典型工作電壓（7-10 V）明顯低于MWIR范圍（10-15 V）咆畏，從而使應(yīng)用工程更具容忍度。
LWIR激光器的典型能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示與InP匹配的InGaAs/InAlAs晶格的帶偏移估計為βECB = 0.52 eV旧找，激光發(fā)射波長為λ = 9.1 μm（對應(yīng)βEL = 0.136 eV）溺健。考慮到激光頂部水平應(yīng)在遠(yuǎn)離傳導(dǎo)帶連續(xù)體(例如,至少βEConf = 0.1 eV低于樂隊抵消),為了Max化粒子數(shù)反轉(zhuǎn),并考慮噴射器基態(tài)的能量抵消由于量子限制注入勢壘(βEINJ≈0.1 eV),剩下的能量范圍的注射器miniband,負(fù)責(zé)激光損耗越低,歐洲央行是β?EL?ββEConf?βEINJ≈0.18 eV钮蛛。這是在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以防止由于光學(xué)聲子重吸收魏颓，電子從注入/弛豫區(qū)的準(zhǔn)費米能級返回到RT下的激光紫外光岭辣。很明顯，對于波長較短的激光器甸饱，晶格匹配材料越來越難以滿足這一條件，除了降低注入效率外叹话，還會顯著導(dǎo)致RT下的性能下降偷遗。事實上，第1個展示連續(xù)RT操作的工作激光器如圖3所示渣刷。因此，應(yīng)變補償激光材料優(yōu)先用于MWIR波長激光器辅柴，盡管由于材料的生長能力，應(yīng)變量是有限的瞭吃。高應(yīng)變材料可以帶來更大的帶偏移碌嘀，但在導(dǎo)帶中向側(cè)谷的散射可以為非輻射躍遷過程增加通道，并且其對激光操作性能的影響目前尚未完全了解歪架。
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