量子級聯(lián)激光器——從工具到產(chǎn)品

正文

量子級聯(lián)激光器——從工具到產(chǎn)品

（本文譯自quantum cascade lasers: from tool to product，M.Razeghi, Q. Y. Lu, N. Bandyopadhyay, W. Zhou, D. Heydari, Y. Bai, and S.Slivken）

1.介紹

自20世紀(jì)60年代激光發(fā)明以來奥喻，人們一直在追求一種更小偶宫、更便宜、更大功率衫嵌、波長更靈活的激光源读宙。作為半導(dǎo)體激光器，量子級聯(lián)激光器(QCL)是一種能帶工程器件楔绞，其電磁輻射是通過超晶格量子阱[1]內(nèi)能級間的子帶間躍遷來實現(xiàn)的结闸。自1994年首次實驗演示以來，QCL技術(shù)得到了巨大的發(fā)展酒朵。這些性能水平是結(jié)構(gòu)設(shè)計桦锄、材料質(zhì)量和制造技術(shù)不斷改進的結(jié)果[3-5]。目前蔫耽，它正在成為中紅外(中紅外)和太赫茲(太赫茲)頻率范圍內(nèi)的激光源结耀，并在氣體傳感、環(huán)境監(jiān)測匙铡、醫(yī)療診斷图甜、安全和國防[6]中有許多應(yīng)用。

西北大學(xué)量子器件中心(CQD)的目標(biāo)是推進光電技術(shù)鳖眼，從紫外到太赫茲光譜區(qū)域黑毅。這包括基于III-V半導(dǎo)體的許多不同技術(shù)的發(fā)展[7,8]。自1997年以來钦讳，CQD在量子級聯(lián)激光器QCL的發(fā)展上投入了相當(dāng)大的努力矿瘦，特別是在功率、電光轉(zhuǎn)換效率(WPE)愿卒、單模操作缚去、調(diào)諧和光束質(zhì)量方面，推動QCL從一個實驗室工具成為一個廣泛的產(chǎn)品琼开，造福于公眾易结。實驗結(jié)果表明，WPE為21%柜候，輸出功率為5.1 W的室溫連續(xù)波工作效率高搞动，輸出功率為0.51 W的環(huán)形腔面發(fā)射QCL為室溫連續(xù)波工作效率高，D1個β型分布反饋QCL為[11]改橘。在本文中滋尉，我們介紹了近年來在QCL方面取得的一些突破，并在接下來的章節(jié)中進行了詳細討論飞主，即大功率高效QCL狮惜；λ~3-4 μm的高性能QCL λ~6-10 μm的寬帶QCL，波長敏捷QCL碌识；具有片上波束組合的QCL用于廣泛的電子調(diào)諧碾篡；在中紅外QCL中基于差頻產(chǎn)生(DFG)的太赫茲源。

2. 大功率高效量子級聯(lián)激光器

在QCL發(fā)明8年后筏餐，D1個室溫連續(xù)QCL被成功制備波長為9.1 μm开泽，輸出功率為10 mW[12]。不久之后魁瞪，西北大學(xué)的CQD在3.8μm[13]到10.6 μm[14]波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了高功率室溫連續(xù)波工作穆律。且自2007年以來惠呼，主要研究波長在4.7 μm左右的紅外對抗、自由空間通信峦耘、化學(xué)傳感等方面的應(yīng)用剔蹋。當(dāng)時，報道的合適室溫CW功率為0.3 W辅髓， WPE為3.7%[15]泣崩。到2011年，QCL在室溫連續(xù)運行達到了5.1 W的輸出功率洛口，WPE為21% [9]矫付。在室溫脈沖模式下，WPE從7.7%提高到27%第焰。這一趨勢如圖1(a)所示买优。

圖1. (a) 2007 - 2011年QCL性能改善情況。(b) 2007年和2011年次效率和WPE的比較

一般來說樟遣，WPE越高而叼，輸出功率越高。我們在室溫連續(xù)波工作中實現(xiàn)高WPE的策略可分為兩部分豹悬。一方面葵陵，我們展示了脈沖模式下在室溫下的高WPE。這主要是設(shè)計和優(yōu)質(zhì)的增益介質(zhì)材料瞻佛。另一方面脱篙，我們在整個器件的設(shè)計和加工過程中都考慮了熱因素，目的是實現(xiàn)高的熱導(dǎo)伤柄，這樣就可以使CW WPE與脈沖WPE接近绊困。脈沖電光轉(zhuǎn)換效率可以分解為四個次效率，即內(nèi)部量子效率适刀、電壓效率秤朗、電效率和光學(xué)效率。在四個次效率中笔喉，內(nèi)部量子效率是重要的取视，它只能通過探索核心結(jié)構(gòu)[16]的設(shè)計來提高。從圖1(b)可以看出常挚，內(nèi)部量子效率的提高幅度大作谭。室溫QCL設(shè)計是[16]中報道的淺井設(shè)計。在室溫連續(xù)焊條件下奄毡，采用埋脊再生和脫膠下粘接的效果佳折欠。此外，埋地脊構(gòu)造的脊寬也很重要。需要在低損耗和高導(dǎo)熱方面做出妥協(xié)锐秦。詳細的討論可以在[3]中找到咪奖。

WPE是一個重要的指標(biāo)數(shù)字，代表了設(shè)備的整體質(zhì)量农猬。盡管過去幾年取得了令人矚目的進展赡艰，但要進一步改善性能仍面臨巨大挑戰(zhàn)售淡。如果去除溫度限制斤葱，是否可以實現(xiàn)50%的WPE將是很有趣的。50%是一個重要的里程碑揖闸，因為它標(biāo)志著光子產(chǎn)生戰(zhàn)勝了聲子產(chǎn)生揍堕。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，專門為低溫高效作業(yè)設(shè)計了兩種新設(shè)計汤纸，分別稱為單井注入器設(shè)計[17]和“超強耦合”主動設(shè)計[18]衩茸。單井注入器設(shè)計體現(xiàn)在注入器狀態(tài)。從單個注入井開始贮泞，該結(jié)構(gòu)中只有一個注入井狀態(tài)楞慈。這種注入器狀態(tài)的空間和能量位置經(jīng)過精心設(shè)計，以便在開啟狀態(tài)下建立“熱正向填充”方案啃擦。該方案有利于種群反轉(zhuǎn)和載體傳輸囊蓝。這樣可以使內(nèi)部量子效率和電壓效率Z大化。在這種結(jié)構(gòu)下令蛉，WPE為53%聚霜，這代表了任何QCL的高值。

多年來珠叔，在4.7 μm的特定波長附近已經(jīng)出現(xiàn)了幾個重要的突破蝎宇。大多數(shù)這些突破可以很容易地適用于其它中紅外波長。在所有的一切中祷安，材料質(zhì)量是重要的姥芥，并強烈地影響差分增益和在設(shè)備內(nèi)的傳輸。雖然在提高材料質(zhì)量方面做出了很大的努力汇鞭，但界面粗糙度仍然存在凉唐。目前，提出的許多“優(yōu)化”設(shè)計只是對每個研究小組目前存在的材料做出了簡單的反應(yīng)虱咧。由界面效應(yīng)引起的輸運相干性的改變就是一個很好的例子熊榛，它可以極大地改變通過隧道裝置的峰值電流。因此腕巡，盡管通過微調(diào)振蕩器強度和反交叉能量仍有望取得一些改進玄坦，但提高器件性能的真正關(guān)鍵將是基于材料的。

由于高效量子級聯(lián)激光器QCL的快速發(fā)展，在λ~4.6 ~ 4.8 μm范圍內(nèi)實現(xiàn)了室溫連續(xù)運行的高功率DFB QCL[19,20]煎楣。設(shè)計并制備了一種簡單的平面光柵豺总，其光柵深度為120nm。計算得到的耦合系數(shù)為1.37cm?1择懂，模態(tài)損失識別為0.4 cm?1喻喳，對于5 mm長腔的單模態(tài)工作是足夠的。后刻面涂HR涂層困曙，前刻面涂AR涂層表伦。AR涂層不僅有助于提高斜度效率，而且有助于凈化FP模式的高鏡面損耗的激光光譜慷丽。寬11 μm蹦哼、長5 mm的DFB QCL器件在10% WPE的條件下，在室溫要糊、連續(xù)介質(zhì)條件下產(chǎn)生2.4 W的輸出功率纲熏。在整個電流范圍內(nèi)觀察到單模發(fā)射，其側(cè)模抑制比(SMSR)為30 dB锄俄，遠場為單葉局劲。

3. 3-4 μm波段的高性能QCL

許多基本的C-H、N-H和O-H拉伸模式在3-4 μm的電磁波譜范圍內(nèi)具有很強的共振奶赠。例如鱼填，甲烷、甲醛车柠、一氧化碳和一氧化二氮都是強溫室氣體剔氏。因此，這些指紋區(qū)域在污染控制竹祷、呼吸分析或水污染物檢測等應(yīng)用中特別有趣谈跛。因此，在這個波長范圍內(nèi)的高效輻射源在光譜法檢測痕量氣體中是必不可少的塑陵。由于低閾值電流密度和高輸出功率[21]感憾，帶間級聯(lián)激光器(ICLs)在短波長區(qū)域具有良好的光源。由于QCL具有較高的功率和定制發(fā)射頻率的獨特可能性令花，因此在這個光譜范圍內(nèi)也是合適的光源[22,23]阻桅。

應(yīng)用4-5 μm高波長側(cè)的QCL知識是實現(xiàn)3-4 μm QCL的途徑之一。與長波長對應(yīng)物相似兼都，由于在量子阱系統(tǒng)中嫂沉，相對于雙聲子共振或約束于連續(xù)體設(shè)計，激光的上能級在絕對能量方面較低扮碧，因此采用3阱有源區(qū)或單聲子共振來設(shè)計有源區(qū)趟章。這就產(chǎn)生了更好的電子約束杏糙，增加了電子通過光學(xué)聲子發(fā)射和對連續(xù)體的熱發(fā)射逃逸的活化能。

3-4 μm QCL的關(guān)鍵是高應(yīng)變平衡超晶格GaxIn1-xAs/ AlyIn1-yAs蚓土，具有高材料質(zhì)量[22]宏侍。當(dāng)波長變短時，發(fā)射的光子能量變高蜀漆，需要更高的應(yīng)變來為電子提供足夠的能量約束谅河。從4 ~ 5 μm到3 ~ 4 μm, GaInAs阱中的Ga組分從31%增加到21%，AlInAs屏障中的Al組分從64%增加到89%确丢。因此绷耍，導(dǎo)帶偏移從0.8 eV增強到1.2 eV[24-26]。

這種高度應(yīng)變平衡的超晶格的生長是非常具有挑戰(zhàn)性的蠕嫁。我們使用定制設(shè)計的氣體源分子束外延(GSMBE)在n-InP基板上生長我們的結(jié)構(gòu)而咆。GSMBE反應(yīng)器專門用于QCL的生長筋粗。反應(yīng)器定期維護沫换，以確保始終如一的高材料質(zhì)量勋桶。對每個生長進行生長后表征钧嘶，以確定設(shè)計參數(shù)和監(jiān)測生長條件乐疆。利用掃描電子顯微鏡和高分辨X射線衍射儀對薄膜的厚度和組成進行了表征筋夏。實驗和模擬(X ' Pert外延)激光芯X射線衍射曲線如圖2所示扑眉。這兩條曲線具有很好的一致性脑奠，確定了材料的組成基公。在X射線中，低背景和高階超晶格的尖峰表明宋欺，超晶格中應(yīng)變的增加伴隨著尖銳的界面轰豆，衛(wèi)星峰的半大全寬(FWHM)小為21.2弧秒。

圖2. 30級激光芯的實驗和模擬x射線衍射曲線

在過去的幾年里齿诞，人們進行了一系列的實驗來縮短QCL的發(fā)射波長酸休。為了實現(xiàn)高功率室溫連續(xù)波運行，將晶片加工成寬度為3 ~ 10 μm的埋地脊結(jié)構(gòu)祷杈。一個腔長為3-5毫米的裝置被切割并向下安裝在鉆石底座上斑司。圖3總結(jié)了3.7 ~ 3.0 μm QCL的功率-電壓(P-I-V)性能發(fā)展。λ~3.7 μm時但汞，連續(xù)波大輸出功率為1.1W宿刮，閾值電流密度為1.67KA/cm2，斜率效率接近閾值2.16 W/ a私蕾。連續(xù)波和脈沖操作的RT和WPE分別為6%和10%僵缺。在3.3 ~ 3.6 μm范圍內(nèi)，λ~3.56 μm和λ~3.39 μm處的大RT功率為437 mW踩叭，連續(xù)功率為403mW磕潮。λ~3.7 μm時，脊寬為3 μm，腔長為5mm的QCL在室溫下的連續(xù)波輸出功率為2.8 mW揉抵。對于任何QCL來說亡容，3.02 μm的發(fā)射波長是顯示連續(xù)波運行的短波長。

圖3. 3-4 μm波長范圍內(nèi)QCL的P-I-V性能

4. λ~6-10 μm的寬帶QCL

在5 ~ 11 μm的光譜范圍內(nèi)冤今，尤其富含NO闺兢、CH4、N2O戏罢、CO2屋谭、NH3等氣體的吸收譜線。要實現(xiàn)全范圍的中紅外光譜龟糕，需要一個廣泛可調(diào)的源桐磁，光譜中沒有任何間隙。這可以通過級聯(lián)多個QCL核芯讲岁，即異質(zhì)有源結(jié)構(gòu)[27]我擂，在不同波長的峰值增益，形成一個寬闊平坦的增益光譜缓艳，其中單個波長可以通過光反饋機制選擇校摩。在此之前，活性區(qū)域被設(shè)計在晶格匹配的Al0.48In0.52As/Ga0.47In0.53As中阶淘，這樣就可以在沒有應(yīng)變松弛[28]的情況下生長由許多核組成的非常厚的寬帶結(jié)構(gòu)衙吩。雖然這能成功實現(xiàn)的較長波長發(fā)射，但在較短的波長晶格匹配QCL性能惡化[4]溪窒。應(yīng)變平衡結(jié)構(gòu)可以解決這一問題坤塞，但由于阱和勢壘寬度的不同，應(yīng)變水平和材料組成通常隨發(fā)射波長而變化澈蚌。在標(biāo)準(zhǔn)MBE反應(yīng)器中摹芙，通過改變積液細胞溫度來動態(tài)地改變單個生長過程中的組分，將導(dǎo)致生長速率和組分的不確定性惜浅。這將導(dǎo)致單個核的發(fā)射波長的不確定性瘫辩，阻礙實現(xiàn)無間隙的寬發(fā)射光譜。因此坛悉，如果在所有波長都能保持高效率伐厌，那么寬頻帶QCL中所有核心的材料組成都保持恒定的替代設(shè)計方案是可取的。

為了解決這一問題裸影，提出了一種新的設(shè)計方法挣轨，在保持高應(yīng)變Al0.63In0.37As/Ga0.35In0.65As組成不變的情況下，利用Ga0.35In0.65As/Ga0.47In0.53As[29]復(fù)合孔來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中的凈應(yīng)變轩猩。對于具有合理通量穩(wěn)定性的MBE系統(tǒng)卷扮，在需要校準(zhǔn)之前荡澎，可以在不同波長設(shè)計多個QCL晶片。這大大減少了QCL生長設(shè)備的時間和精力晤锹，從而降低了每片晶圓的成本摩幔。

圖4 (a)為6核級聯(lián)的異構(gòu)寬帶量子級聯(lián)激光QCL的示意圖。根據(jù)應(yīng)變平衡相似的Al0.63In0.37As/Ga0.35In0.65As/Ga0.47In0.53As超晶格進行優(yōu)化鞭铆，如圖4(b)所示或衡。對于5.2、6.7车遂、8.2封断、9.1、11 μm舶担，壁面塞效率分別為18.4%坡疼、15.7%、15.4%衣陶、13.2%柄瑰、4.8%;剛超過閾值的激光器的EL和發(fā)射光譜如圖5(a)所示。觀測到的輻射范圍為1014 cm?1祖搓，這使得它們適合集成到異質(zhì)寬帶激光器中狱意。

圖4. (a)異構(gòu)寬帶QCL原理圖。(b) 8.2μm QCL的結(jié)構(gòu)

圖5. (a)分離孔QCL的電致發(fā)光和激光發(fā)射光譜拯欧。(b) EL和DFB光譜，以及寬帶QCL的DFB閾值電流密度

設(shè)計了一個含6個優(yōu)化子核的非均相QCL活性區(qū)财骨，其輻射范圍為6 ~ 10 μm镐作。所有子核心均基于相似的復(fù)合井方案。首次嘗試得到5.9 ~10 μm的單模DFB發(fā)射(圖5(b))隆箩。雖然在子峰之間增益不足该贾，但可以通過改變子核的發(fā)射級數(shù)、相對排列方式和發(fā)射波長來解決捌臊，從而實現(xiàn)扁平增益杨蛋。

5. 波長靈活量子級聯(lián)激光器

量子級聯(lián)激光器是光譜學(xué)研究的有力工具。廣泛的光譜覆蓋理澎，結(jié)合窄線寬輸出和高功率使廣泛的應(yīng)用逞力，包括光聲和對峙光譜。然而糠爬，傳統(tǒng)的窄線寬QCL的調(diào)諧范圍只有~5 cm?1寇荧，這通常限制了對單一類型分子的檢測。外腔技術(shù)可以顯著擴大調(diào)諧范圍执隧，但光學(xué)精度的要求揩抡，該系統(tǒng)對機械振動的敏感性户侥，以及大光柵質(zhì)量限制掃描速度限制了技術(shù)的潛力。

作為一種替代方案峦嗤，我們采用采樣光柵分布反饋(SGDFB)技術(shù)對QCL進行完全單片電子調(diào)諧(圖6(a))[30]蕊唐。類似的技術(shù)是為電信開發(fā)的，由我們的團隊?wèi)?yīng)用于量子級聯(lián)激光器烁设。在SGDFB激光器中替梨，采樣周期不同的兩個采樣光柵段合并在同一波導(dǎo)中。改變電流密度在一個區(qū)域相對于另一個(ΔJ)通過游標(biāo)效應(yīng)改變發(fā)射波長署尤。原則上耙替，一個大的(>10 ×)調(diào)諧范圍增強是可能的標(biāo)準(zhǔn)單模激光器適當(dāng)?shù)脑O(shè)計。

圖6. (a) SGDFB幾何結(jié)構(gòu)示意圖曹体。

(b)在單個晶片上使用不同光柵周期的離散SGDFB激光器實現(xiàn)光譜覆蓋

制備了前后段長度分別為~1.6 mm和~1.4 mm的SGDFB QCL俗扇。兩部分均采用30周期光柵，采樣3次箕别，其中光柵周期為753 nm铜幽。該晶片被加工成脊寬為10 μ m的雙通道脊波導(dǎo)，并被切割成腔長為3 mm的器件串稀。單模調(diào)諧超過50 cm?1達到閾值以上是通過增加某部分的電流實現(xiàn)的除抛。這比一個簡單的DFB激光器的電調(diào)諧增加了5-10倍。在調(diào)諧范圍內(nèi)母截，在RT下可以獲得超過100 mW的連續(xù)波功率到忽，平均SMSR為24 dB。

SGDFB運行在增益峰值附近實現(xiàn)后清寇，下一個領(lǐng)域是在給定的晶圓上可達到的整體光譜范圍喘漏。用于SGDFB實驗的激光增益區(qū)域在室溫下的電致發(fā)光全半寬(FWHM)為400 cm?1。在增益峰中心附近僅探測到約120 cm?1华烟。然而翩迈，證明一個遠離增益峰值的單模激光器是比較困難的，因為我們必須為腔超模(遠離增益峰值)提供足夠的增益盔夜，同時抑制自然的法布里-珀羅(FP)振蕩(在增益峰值)负饲。

隨著抗反射(AR)涂層的應(yīng)用(兩個方面均為10%)，SGDFB技術(shù)允許離散激光在單個晶片上發(fā)射超過寬光譜范圍的激光喂链。為了補償這種減少的反饋返十，每個采樣周期的光柵周期數(shù)增加到60。為了確定該設(shè)計的全光譜范圍衩藤，圖6(b)中顯示了光柵周期為695吧慢、753和825 nm的Ng = 60激光器的額外測試。脈沖閾值電流范圍從增益峰值附近的0.6 A到光譜覆蓋極限的0.9 A赏表。一個類似的單間隔調(diào)諧范圍(16厘米?1)被證明為所有三激光器检诗⌒僬蹋總的來說，對于這種SGDFB設(shè)計逢慌，超過800 nm (351 cm?1)可以通過單模行為訪問悠轩。Λ = 753 nm激光器的峰值功率級別在其調(diào)諧范圍[31]范圍內(nèi)從380到1200 mW。

使用光柵結(jié)構(gòu)攻泼，單個SGDFB激光器的調(diào)諧范圍也得到了進一步的探索火架。主要的挑戰(zhàn)是克服增益曲線的峰值特性。這是通過修改激光腔內(nèi)的衍射反饋來部分補償增益光譜的曲率來實現(xiàn)的忙菠。為此采用了數(shù)字級聯(lián)光柵(DCG)何鸡。DCG由多個采樣光柵(在本例中為2個)組成，這些光柵具有不同的布拉格波長和相同的采樣周期牛欢。該結(jié)構(gòu)的原理圖和實驗實現(xiàn)如圖7所示骡男。

圖7. (a)數(shù)字級聯(lián)光柵和蝕刻雙光柵試件的斜像示意圖。

(b)從室溫下工作的可調(diào)諧DCG-SCGDFB中選擇的發(fā)射光譜

為了實驗實現(xiàn)廣泛的電調(diào)諧傍睹，使用DCG-SGDFB設(shè)計原理制造了激光器隔盛。雙采樣光柵的周期為Λ1 = 670和Λ2 = 920 nm，以覆蓋寬光譜范圍拾稳。為了提供更大的調(diào)諧范圍和足夠的反饋吮炕，顯著減少了每個采樣周期的光柵周期數(shù)(每個光柵周期4個)，增加了采樣周期數(shù)(每個截面25個)访得。共用AR涂層制備了9毫米腔體龙亲。這種方法確實被證明是成功的，允許在λ = 4.6 μm[32]附近的單個激光器調(diào)諧高達243cm?1悍抑。

SGDFB QCL技術(shù)目前正在探索更廣泛的調(diào)優(yōu)范圍俱笛。每臺激光器具有~200 cm?1或更高的調(diào)諧，小格式SGDFB陣列具有覆蓋極寬光譜區(qū)域的潛力传趾。主要的限制是激光本身的增益帶寬。利用寬帶實現(xiàn)更寬的調(diào)諧激光系統(tǒng)泥技，異質(zhì)激光器目前正在開發(fā)中浆兰。

6. 用于寬電調(diào)諧的具有片上波束組合的QCL 

演示的寬波長覆蓋5.9- 10 μm的寬帶QCL代表著向緊湊和廣泛可調(diào)諧的中紅外激光器源系統(tǒng)邁出的重要一步。下一步是建立一個合適的調(diào)諧系統(tǒng)來訪問這個廣泛的波長范圍珊豹。雖然外部腔QCL已經(jīng)能夠覆蓋432cm?1調(diào)諧簸呈，從7.6- 11.4 μm[28]，而DFB QCL陣列已經(jīng)顯示覆蓋約100 cm?1[33]店茶，這兩種調(diào)諧系統(tǒng)都是復(fù)雜的蜕便，并依賴額外的光學(xué)元件來進行調(diào)諧或光束組合。由于DFB陣列中的每個元素只能在幾cm?1的小范圍內(nèi)進行調(diào)整贩幻，因此陣列的大小可以大得令人望而卻步轿腺，以覆蓋數(shù)百cm?1的范圍两嘴。采用采樣光柵分布反饋(SGDFB) QCL作為可調(diào)諧激光陣列的元件，在相同調(diào)諧范圍內(nèi)可顯著減少陣列元件的數(shù)量族壳。此外憔辫，由于元件的數(shù)量較少，可以集成一個片上波束合成器仿荆，將來自不同SGDFB激光器的信號傳送到單個輸出通道贰您。一個用于QCL的片上波束合成器的功能已經(jīng)通過一個用于功率縮放的樹陣列合成器得到了證明。

在我們的工作中拢操，我們展示了D1個可調(diào)諧QCL陣列與片上波束合成器锦亦。激光源能夠訪問181.7cm?1的無間隙調(diào)諧范圍，覆蓋的波長范圍從6.73到7.66 μm[35]令境「茉埃可調(diào)QCL陣列由8個帶有波束組合器的雙截面SGDFB QCL組成巍实，如圖8所示溺职。合成器部分包含7個相同的二合一合成器，以樹狀陣列的方式將8個激光輸入輸出到單個輸出窟蓝。一個普通激光器和合成器部分的兩個部分可以獨立偏置以供設(shè)備操作栖茉±郝蹋總觸點數(shù)為17，不包括共享底部觸點吕漂。

圖8. (a)三截面QCL源的原理圖亲配，其中包括8個SGDFB激光器和一個樹陣列光束組合器截面。

(b)激光結(jié)構(gòu)和三截面獨立偏置方案

在工作狀態(tài)下惶凝，可以將合成器部分偏置為光放大器吼虎，從而在補償分光損耗的同時實現(xiàn)高功率輸出。優(yōu)化組合器以提高放大效率和光束質(zhì)量目前正在研究中苍鲜。一旦這種技術(shù)被應(yīng)用到具有寬和面增益介質(zhì)的激光器上思灰，預(yù)計將會出現(xiàn)一個單片、廣泛可調(diào)的QCL源混滔。

7. 基于中紅外QCL的 DFG的太赫茲源

太赫茲光譜范圍(1-10太赫茲)對于爆炸物和藥物檢測洒疚、安全篩查(t射線成像)、天文學(xué)和醫(yī)學(xué)成像等應(yīng)用非常有趣坯屿。其中許多應(yīng)用程序有可能影響并維護我們的日常生活油湖，因此，對普通公眾和行業(yè)有巨大的吸引力领跛。正如電信技術(shù)在過去30年里所證明的那樣乏德，單片集成是推動太赫茲技術(shù)接近理想來源的合乎邏輯的下一步。晶圓規(guī)模的加工允許大規(guī)模生產(chǎn)吠昭，高產(chǎn)量和低成本喊括。為此胧瓜，組件和集成技術(shù)的開發(fā)都是至關(guān)重要的。

一個有前途的平臺是基于InP的內(nèi)腔差分頻率產(chǎn)生瘾晃，使用中紅外量子級聯(lián)激光器(QCLs)[36-38]贷痪。該技術(shù)利用設(shè)計的子帶間非線性磁化率(χ(2))的雙頻泵浦激光器在單個波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生窄線寬太赫茲輻射。除了提供豐富的美麗的物理研究蹦误，這種技術(shù)允許緊湊劫拢，室溫操作在廣泛的光譜范圍。我們的團隊利用的QCL技術(shù)强胰，在以下四個方面取得了穩(wěn)步的進展:穩(wěn)定的太赫茲頻率發(fā)射;太赫茲高權(quán)力;連續(xù)波操作;和寬頻率的可行性[39]舱沧。

在典型的Fabry-Pérot (FP)多模腔中，光強在不同的中紅外頻率之間擴散偶洋，總功率是許多小Wi分量的總和熟吏。因此，產(chǎn)品WiWj將是小的玄窝，而太赫茲光譜將相當(dāng)寬(Δv ~0.5-1 THz)牵寺。為了對太赫茲光譜進行提純和調(diào)諧，需要將所有的中紅外功率集中在兩個單模工作的中紅外頻率上恩脂，并且它們的頻率位置需要可控和可調(diào)帽氓。達到這一目的直接的方法是使用具有兩個波長分量的復(fù)合DFB光柵，如圖9(a)所示俩块，對中紅外光譜以及太赫茲光譜進行提純和調(diào)諧黎休。利用該技術(shù)，在4.1 THz范圍內(nèi)玉凯，在不同的電流和溫度下势腮，首次實現(xiàn)了穩(wěn)定的頻率輸出和窄線寬的室溫單模THz發(fā)射。這為我們接下來的工作奠定了基礎(chǔ)漫仆，單模太赫茲發(fā)射是我們的太赫茲源的共同特征捎拯。

圖9. (a)兩個波長分量的復(fù)合DFB光柵(下半部分)及其傅里葉變換(上半部分)。

(b) ?erenkov相位匹配示意圖(上半部分)和上向下安裝的太赫茲器件示意圖(下半部分)

基于DFG的D1代太赫茲QCL源的有源區(qū)設(shè)計采用雙核結(jié)構(gòu)盲厌，兩個波長采用雙聲子共振(DPR)和束縛-連續(xù)體(BTC)衰減方案玄渗。然而，只有BTC核心設(shè)計了一個巨大的非線性磁化率狸眼，而DPR核心僅作為一個低THz產(chǎn)生的中紅外源[36,37]。為了改善非線性THz轉(zhuǎn)換浴滴，第二代THz源采用雙核結(jié)構(gòu)拓萌，采用兩種單聲子共振(SPR)設(shè)計，并在1-5 THz范圍[40]中設(shè)計了一個巨大的χ(2)升略。為了探索該設(shè)計的寬帶太赫茲產(chǎn)生微王，采用模態(tài)相位匹配方案制作了10個復(fù)合DFB器件陣列屡限，實現(xiàn)了3.3 ~ 4.6 THz的太赫茲階躍調(diào)諧。

具有模態(tài)相位匹配方案的波導(dǎo)由于在n摻雜InP襯底中具有高的自由職業(yè)吸收而具有很高的損耗炕倘。由于在太赫茲范圍內(nèi)相對于中紅外指數(shù)(nmidir)有更快的頻率依賴有效指數(shù)钧大，模態(tài)相位匹配只能在相對較窄的頻率范圍內(nèi)滿足。為了克服這一限制罩旋，可以用半絕緣的InP襯底代替有損耗的襯底啊央，并使用?erenkov相位匹配方案從腔中提取THz光，如圖9(b)[41,42]所示涨醋。在?erenkov構(gòu)型中瓜饥，QCL有源區(qū)的THz指數(shù)(nTHz)高于中紅外指數(shù)，因此基波中紅外波的傳播速度快于DFG太赫茲波浴骂。這種相位匹配方案乓土，加上復(fù)合DFB陣列設(shè)計，允許產(chǎn)生寬范圍的單模太赫茲溯警，即達到1.0至4.6太赫茲(圖10(c))趣苏。

圖10. 室溫下高峰值功率(a)、連續(xù)波工作(b)和寬范圍頻率維持(c)的太赫茲QCL源的發(fā)展

盡管光譜覆蓋范圍很廣梯轻，太赫茲功率有限食磕，僅為數(shù)十μW量級。這是由于貼膜向上安裝和350 μm厚的基片導(dǎo)致的較差的散熱機制檩淋，以及由于通過底部接觸層的單側(cè)電流注入而導(dǎo)致的低效電流注入方案芬为。為了解決這些問題，我們使用了如圖9(b)所示的雙側(cè)電流注入方案蟀悦，將?erenkov裝置安裝在一個有圖案的子座上媚朦，并演示了高達0.22 mW的太赫茲峰值功率。這種下壓式安裝策略日戈，對于面積更大的器件询张，熱積累大大減輕。因此浙炼，脈沖模式下的太赫茲峰值功率可以通過中紅外功率積和轉(zhuǎn)換效率顯著提高份氧，通過使用這種技術(shù)，THz峰值功率高達1.9 mW弯屈，轉(zhuǎn)換效率為0.8 mW/W2蜗帜，如圖10(a)[44]所示。這里和之后资厉，測量的太赫茲功率沒有校正任何收集效率厅缺，因為在測試設(shè)置中提高了收集效率。該設(shè)備的WPE達到0.7 × 10?5。進一步擴大THz功率與廣域波導(dǎo)設(shè)計[45]應(yīng)該能夠顯著提高功率和效率湘捎。

連續(xù)太赫茲在室溫下的工作能力對其廣泛應(yīng)用和商業(yè)化具有重要的意義诀豁。通過采用埋地復(fù)合DFB光柵和埋地脊波導(dǎo)降低波導(dǎo)損耗，我們展示了D1個3.6 THz窥妇、功率為3 μW的室溫連續(xù)波THz QCL源(圖10(b))舷胜，并采用向下安裝方案[46]。在連續(xù)波運行下活翩，太赫茲功率有望通過更好的有源區(qū)設(shè)計和增長烹骨，以及設(shè)計出更高效率的外耦合方案來提高。

上面的演示是具有幾乎固定的太赫茲頻率輸出的單模太赫茲發(fā)射纱新。對于大多數(shù)太赫茲技術(shù)的應(yīng)用展氓，一個緊湊的太赫茲源覆蓋整個1-5THz頻率范圍是非常需要的。為此脸爱，我們使用多截面SGDFB-DBR波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)[47]遇汞，展示了一種廣泛的電調(diào)諧室溫太赫茲光源，其連續(xù)頻率調(diào)諧范圍為2.6-4.2THz簿废。該器件由兩個SGDFB部分和一個DBR部分組成空入，三個部分之間有兩個100 μm的隔離通道。兩個SGDFB部分應(yīng)用不同的直流電流族檬，獲得160-180 GHz的寬范圍太赫茲步長調(diào)諧歪赢。為了橋接頻率階躍，在DBR部分應(yīng)用不同的直流電流來實現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)調(diào)諧单料。

目前的實施是一個良好的開始埋凯，理論預(yù)測實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的更高功率是可能的。隨著進一步的發(fā)展扫尖，這一便攜式平臺終有一天會成為多種太赫茲研究課題和應(yīng)用的實現(xiàn)技術(shù)白对。

8. 結(jié)論

量子級聯(lián)激光器經(jīng)過近二十年的巨大發(fā)展，正在成為中紅外和太赫茲頻率范圍內(nèi)的半導(dǎo)體激光源换怖。特別是近年來在3 ~ 5 μm波長范圍內(nèi)的高功率甩恼、高效率QCL、面發(fā)射環(huán)腔QCL沉颂、高功率β型分布反饋QCL条摸、寬光譜范圍3 ~ 12 μm的寬帶QCL、基于雙截面采樣光柵設(shè)計的波長靈活QCL铸屉、用于控制光束質(zhì)量的寬范圍電調(diào)諧的片上QCL波束合成器以及基于差頻產(chǎn)生的高性能室溫太赫茲QCL源钉蒲，正將QCL技術(shù)推向新的研究前沿。隨著該技術(shù)的進一步發(fā)展彻坛，許多新的基于QCL的應(yīng)用可能會在不久的將來出現(xiàn)子巾。

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