我们对λ = 6 ~ 9 μm光谱范围内的LWIR QC激光器参数进行了综述。这些器件的高功率达到了与MWIR激光器相当的水平，在选定波长下的输出功率超过1w。单模发射也已被证明，在RT下连续工作，功率超过150mw。将需要进一步努力制造和包装这些装置，以便在现场部署的系统中使用。
量子级联激光器-长波红外（λ>6 μm）的制造性能展示
到目前为止，在λ = 6-8 μm范围内，已经实现了长波长的高功率（pto bbb1w）工作。当波长达到λ = 9 μm （pto = 0.5 W）时，性能显著提高，而当波长超过9 μm时，性能迅速下降。本文总结了波长为λ = 6.1 μm （QCL-A）、λ = 7.3 μm （QCL-B）、λ = 7.8 μm （QCL-C）和λ = 8.9 μm （QCL-D）的激光器的实验结果。这些器件的激光器结构基本上是相似的，包括与InP衬底相匹配的多阱InGaAs/InAlAs有源区域晶格，以及所谓的结合-连续体或等效方式的四个或更多有源阱。活性阱周期性地重复30-40次，并被厚的、低掺杂的、InP包层包围，在顶部触点下方有等离子体增强的约束层。
图1
图1显示了器件QCL-A的电光特性。这种情况下的波导尺寸为：width×length = 7.5 μm×4 mm。发射波长以λ = 6.14 μm为中心，Max输出功率为P = 1.25 W。高反射涂层可用于器件的单面发射。在电流为I = 1.2 A时，Max壁插效率（定义为器件的电光转换效率，不包括热电冷却器（TEC）所需的功率，η = Pout/Pin）为η = 7%。对于安装在铜散热器上的激光器，该器件的阈值电流密度随温度的变化如图1(c)所示。用表达式Jth = J0exp（T/T0）拟合数据，得到连续工作条件下的特征温度T0 = 118 K，脉冲模式下的特征温度T0 = 117 K。这些值的接近表明器件与基板的热接触良好。从反腔长度测量中，我们估计内部损耗为αi = 7.6 cm−1。
图2
λ = 7.3 μm QCL-B器件的性能特征如图2所示。在15°C时，器件的光功率发射功率大于Pout = 0.7 W，在Max电流I = 1.25 a时，转换效率η = 5%。在宽10.5 μm，长3 mm的BH波导中，通过电子束蒸发在背面沉积高反射率金属涂层。与QCL-A器件相比，在15◦C时获得了z高的转换效率[见图2(b)]。相对于较长的腔体器件，如QCL-A，总功率的显著降低部分是由于较短的腔体长度和内部腔损失，这些损耗影响了HRcoated器件的前面发射的总光功率，而不是从未涂层器件的两个侧面测量的总功率。未来对输出耦合的改进包括在输出面的增透（AR）涂层以优化Max光功率。对于cw激光器，QCL-B器件的特征温度为T0 = 135 K。
图3
用规则FP波导处理的QCL-C器件如图3所示。在T = 15◦C的散热温度下，采用9 μ m宽、5 mm长的波导器件，总输出功率可达Pout > 0.6 W，转换效率η = 3%。当器件宽度增加到11 μm时，总功率为Pout = 0.8 W，效率为η = 3.4%。中心波长为λ = 7.85 μm，特征温度为T0 = 145 K。阈值电流对温度的灵敏度越小从QCL-A到QCL-C器件的T0值的增加可以部分地证明，由于较长波长激光器中较高激光能级的能量较低，更小比例的热电子损失到传导带连续体中，从而提高了注入效率。
图4
QCL-D器件的发射特性如图4所示。对于宽度为12 μm，长度为4 mm的器件，在λ = 8.9 μm的中心波长处，激光器的总输出功率为>.8 W（无涂层的两个面输出之和）。在15◦C连续工作时，典型的功率转换效率约为η = 4%，特征温度为T0 = 149 K，与以前器件在更长波长的情况下观察到的T0增加一致。图4和图2中L-I曲线中的扭结通常与光谱不稳定性和在宽器件中发生的不同侧向模式的发射有关。这里所示的所有激光都是在BH波导中处理的，由于它们的宽度，可以支持多个横向模式。
从反腔长度测量的内部损失估计为αi = 6 cm−1。这个数字与较短波长的QCL-A激光器测量的内部损耗相当，表明长波长的性能下降不是由于单一的贡献，例如较大的损耗，而是不同因素的复杂组合，包括，例如，激光模式和较长波长的有源区域之间的重叠减少。特别是后者，对激光阈值和斜率效率都有贡献，因此以不同的方式影响激光的操作。从脉冲和连续模式下阈值电流的比较[见图4(c)]，我们可以估计相对于散热器的活性区域温度的增加约25 K，我们假设在低占空比（<1%）的脉冲模式下工作时，器件没有发生明显的加热。
分布式反馈激光器已经由与DFB-C工艺相同的材料制成。波导核心在有源区两侧包括InGaAs包层，以增加光约束。我们的dfb利用了波导的这一特性，在波导InGaAs包层中蚀刻一个周期图案，随后再生长InP低折射率层作为光波导的顶部包层。在另一种方案中，牺牲InGaAs蚀刻层在距离有源核心一定距离的地方生长，中间有一个InP缓冲层。这使我们能够使用选择性蚀刻，并在不影响有源区域的情况下通过InGaAs层进行蚀刻。埋藏异质结构的选择性生长和接触沉积完成了激光加工。
图5
图6
单模器件的结果如图5所示，在15◦C下，我们从单个发射极获得了高达约Pout = 180 mW的连续功率。2毫米长的器件安装在正面朝下，并在高达60°C的连续波中工作，输出功率为10 mW。典型光谱如图6(a)所示，其中对数尺度表示30 db侧模抑制比。从连续波亚阈值光谱[图6(b)]，我们可以确定布拉格阻带的宽度，对应耦合强度的估计约为kL = 3.5。该值高于强耦合分布式反馈设备（kL = 1-2）的通常预期值。对光栅与光学模式耦合的更深入的探讨将在其他地方提出。发射波长与温度的相关性为λ/T = 0.4 nm/K，并且从连续波波长与脉冲低占空比操作的红移中，我们能够估计出器件的热阻为5 K/W，优于QCL器件通常在10 K/W左右的平均测量值。图6(a)所示发射光谱对应的光栅周期为δ = 1.21 μm，对应的有效折射率为neff = 3.198。
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