中红外光谱范围是特别感兴趣的应用，如气体分析和化学传感量子级联QC激光器是通用的中红外光源，因为波长可以从2.7到2.4 um设计。在许多应用中需要较宽的波长调谐范围。目前流行的QC激光器调谐技术基本上是基于温度调谐或机械调谐。前者具有非常有限的调谐范围10 cm−1在TE冷却器温度范围内的调谐速率0.1-0.13 cm−1 /K。后者调节范围宽;然而，设置需要良好对齐的外部组件。另一种方法是通过简单地改变施加在QC激光器上的电压来调整激光光谱。广泛电压可调谐的子带间电致发光EL已在各种QC激光器设计中观察到由于耦合量子阱中的Stark效应，调谐范围约为100-200 cm−1此外，为了实现广泛可调谐的单模QC激光器，宽增益谱是必不可少的。非均匀有源区或结合连续体设计可用于实现宽增益谱。然而，两者都是以牺牲峰值增益为代价的。另一方面，QC激光增益光谱的电压调谐覆盖了很宽的波长范围，而不牺牲峰值增益，因为它在很宽的范围内调谐窄增益光谱。
基于“两步”耦合的宽电压可调量子级联激光器
在之前的研究中，基于反交叉垂直和对角跃迁以及光子辅助对角跃迁的主流QC激光器设计的电压可调性，所有设计都显示电压可调的EL。然而，基于反交叉垂直跃迁和光子辅助对角跃迁的激光器不能在阈值以上调谐，而基于反交叉对角跃迁有源区的激光器在80 K时的调谐范围在阈值以上约30 cm−1，远小于EL在相同电压范围内的60-70 cm−1。激光器调谐范围小的原因在于驱动电子穿过有源区的受激辐射在传统的QC激光器设计中，大部分电子都聚集在z低注入态和z高激光态。在阈值以下，电子主要通过纵向光学LO声子散射穿越有源区。在阈值以上，随着腔内的光强变得越来越强，电子通过受激辐射在活跃区域的传输速度越来越快。因此，在有源区域上的电压不再增加得那么快。
图1
我们展示了一种基于注入器和有源区域之间“两步”耦合的新型QC激光器设计，通过简单地改变施加电压，为高于阈值的激光器提供宽波长调谐范围。该设计的导带部分如图1所示。它是基于双声子共振对角跃迁有源区。在注入器基态g和上层激光态u之间插入一个耦合态c。以LO声子散射为主的从注入态到耦合态的散射寿命约为1.5 ps，而上激光态的散射寿命约为3 ps。这样，当施加电压增加时，电子通过阈值以上的受激发射穿越有源区的速度减慢，使得有源区的差分电阻下降速度不如传统设计的快。此外，耦合态与上激光态强耦合，共振时产生约11.2 meV的能量分裂。所有这些特征导致了一个更大的动态电压范围超过有效区阈值以上。
在脉冲模式下测量了台面和激光器的EL，脉冲宽度分别为100或45 ns，重复频率为80 kHz，使用傅里叶变换红外光谱仪与冷却的HgCdTe探测器。在相同的条件下，测量了阈值以上的激光光谱。低占空比确保测量结果不受热效应的影响，如热调谐。
图2
图2a显示了在室温295 K下台面的电致发光值作为每级电压的函数。如果有必要，可以用对原始数据拟合多个洛伦兹峰来确定EL的峰波数激光从阈值到功率翻转点的光谱如图所示。为了确定激光光谱的调谐趋势，我们在峰值强度的10%高度测量了两侧的波数，并提取了激光波数的中点值，该方法的有效性将在后面讨论。图3显示了EL峰值和激光波数，它们是每级电压的函数。EL的调谐速率为700 cm−1 /V，与自一致Schrödinger-Poisson求解器的计算结果吻合良好，如图3所示。激光光谱在阈值以下可调谐，在阈值处可调谐性降低。可调性恢复20%以上的阈值电流密度。阈值以上激光光谱的调谐速率甚至高于EL，约为900 cm−1 /V。激光在阈值以上的总调谐范围约为80 ~ 100 cm−1，与EL在相同电压范围内的调谐范围一样宽。
图3
为了将上述方法得到的激光波数与激光增益光谱的峰值波数进行比较，我们从阈值以下和阈值以上与激光脊方向正交的方向测量了EL。从这种激光器测量到的高于阈值的典型EL如图4的插图所示。狭窄的发射峰是由激光腔内缺陷散射激发的。为了得到EL峰，将激光发射峰去除，其余数据用多个洛伦兹量拟合。增益谱的峰值波数由拟合曲线的峰值决定。图4比较了用上述方法得到的典型激光器的增益谱峰和激光波数随注入电流的变化情况。可以看到它们显示出几乎相同的波数和调谐行为。
图4
从激光光谱的调谐行为可以得出结论，这种设计比传统的反交叉对角线设计具有更早的恢复可调谐性如前所述，原因在于两步注入方案。激光仍能在阈值，如图5a_x0005_，表明由于受激发射，激光上态寿命急剧下降，包括散射寿命和受激发射寿命。然而，随寿命的减小，直至小于注入器状态和耦合状态之间的散射寿命，更多的电子将在注入器中积累，而上层激光状态和耦合状态中的电子将减少。因此，光强的增加速度不如施加电压的增加速度快;因此，寿命的下降和有源区域上的微分电阻减慢。采用两步耦合设计的速率方程模型和从Schrödinger-Poisson求解器获得的参数11进行常规设计的寿命的计算结果可以验证这一点，如图5b。激光上态寿命的减小和电子在注入器内的积累的减缓，导致在有源区电压升高较高，而在注入器上电压升高较低。此外，与传统的反交叉对角线设计相比，该设计具有更大的动态电压范围，这可以从图中所示的光电压电流密度特性中看出。5a_x0005_。从激光阈值到翻转点的电压范围几乎是阈值处施加电压的30%，而传统设计则小于10%简单地说，更大的电压动态范围和在有源区域上更大的电压增加有助于更宽的电压诱导波长调谐范围，即100 cm−1。
图5
在实际应用中，质量控制激光器的性能一直是一个关键问题。基于两步耦合设计的激光器具有可比较的输出功率超过1.4 W双面输出，从一个3毫米长，15 米宽的峰激光器和斜率效率1W/ a以及温度性能T0=170 K与同类波长的z佳QC激光器然而，在T=295 K时，它们显示出更高的阈值电流密度3.5 kA/cm2。我们将此归因于早期的导通电压和伴随的泄漏电流，因为在耦合状态和注入器状态之间实现强隧穿之前，电子从耦合状态跃迁到活性区域的较低状态。对结构的进一步改进将优化增益以获得较低的施加电压并降低掺杂密度。
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