近期，中國科學院長春光學精密機械與物理研究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(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(xiàn)的光譜寬度遠不足1 μm），嚴重制約了其在寬帶光譜調(diào)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(jīng)優(yōu)化設計后，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(nèi)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(xiàn)的最寬EL寬度。
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(xiàn)藍移現(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。
