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量子级联激光器——从工具到产品

发布时间:2021-12-08 08:46:35 浏览量:2947 作者:Givin

摘要

量子级联激光器(QCL)是中红外和太赫兹频段的一种重要的激光源。在过去的二十年里,它在功率、转换效率、频率覆盖和可调谐性、

光束质量以及基于QCL技术的各种应用方面取得了巨大的发展。目前,QCLs可以在室温下提供高达5.1 W的高连续波功率输出,通过

简单地改变材料成分,覆盖3至300 μm的宽频率范围。基于单片采样光栅设计的宽光谱范围为3 ~ 12 μm的宽带异构QCL、基于单片

采样光栅设计的波长敏捷QCL和片上束QCL组合器是新一代可调谐中红外光谱和传感源的研究方向。基于QCL非线性产生的太赫兹源进

一步将可达波长扩展到太赫兹范围。室温连续波工作,高太赫兹功率高达1.9 mW,和宽频率可调谐形式1至5太赫兹,使这种类型的设

备适用于太赫兹光谱,成像和通信的许多应用。

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量子级联激光器——从工具到产品

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


1.介绍

自20世纪60年代激光发明以来,人们一直在追求一种更小、更便宜、更大功率、波长更灵活的激光源。作为半导体激光器,量子级联

激光器(QCL)是一种能带工程器件,其电磁辐射是通过超晶格量子阱[1]内能级间的子带间跃迁来实现的。自1994年首次实验演示以

来,QCL技术得到了巨大的发展。这些性能水平是结构设计、材料质量和制造技术不断改进的结果[3-5]。目前,它正在成为中红外(中

红外)和太赫兹(太赫兹)频率范围内的领先激光源,并在气体传感、环境监测、医疗诊断、安全和国防[6]中有许多应用。


西北大学量子器件中心(CQD)的目标是推进光电技术,从紫外到太赫兹光谱区域。这包括基于III-V半导体的许多不同技术的发展[7,8]。

自1997年以来,CQD在量子级联激光器QCL的发展上投入了相当大的努力,特别是在功率、电光转换效率(WPE)、单模操作、调谐和

光束质量方面,推动QCL从一个实验室工具成为一个广泛的产品,造福于公众。实验结果表明,WPE为21%,输出功率为5.1 W的室温

连续波工作效率最高,输出功率为0.51 W的环形腔面发射QCL为室温连续波工作效率最高,第一个β型分布反馈QCL为[11]。在本文

中,我们介绍了近年来在QCL方面取得的一些突破,并在接下来的章节中进行了详细讨论,即大功率高效QCL;λ~3-4 μm的高性能

QCL λ~6-10 μm的宽带QCL,波长敏捷QCL;具有片上波束组合的QCL用于广泛的电子调谐;在中红外QCL中基于差频产生(DFG)的

太赫兹源


2. 大功率高效量子级联激光器

在QCL发明8年后,第一个室温连续QCL被成功制备波长为9.1 μm,输出功率为10 mW[12]。不久之后,西北大学的CQD在3.8

 μm[13]到10.6 μm[14]波长范围内实现了高功率室温连续波工作。且自2007年以来,主要研究波长在4.7 μm左右的红外对抗、自由

空间通信、化学传感等方面的应用。当时,报道的最佳室温CW功率为0.3 W, WPE为3.7%[15]。到2011年,QCL在室温连续运行达

到了5.1 W的输出功率,WPE为21% [9]。在室温脉冲模式下,WPE从7.7%提高到27%。这一趋势如图1(a)所示。


 

图1. (a) 2007 - 2011年QCL性能改善情况。(b) 2007年和2011年次效率和WPE的比较


一般来说,WPE越高,输出功率越高。我们在室温连续波工作中实现最高WPE的策略可分为两部分。一方面,我们展示了脉冲模式下

在室温下的最高WPE。这主要是设计和优质的增益介质材料。另一方面,我们在整个器件的设计和加工过程中都考虑了热因素,目的

是实现最高的热导,这样就可以使CW WPE与脉冲WPE最接近。脉冲电光转换效率可以分解为四个次效率,即内部量子效率、电压效

率、电效率和光学效率。在四个次效率中,内部量子效率是最重要的,它只能通过探索核心结构[16]的设计来提高。从图1(b)可以看

出,内部量子效率的提高幅度最大。最先进的室温QCL设计是[16]中报道的浅井设计。在室温连续焊条件下,采用埋脊再生和脱胶下粘

接的效果最佳。此外,埋地脊构造的脊宽也很重要。需要在低损耗和高导热方面做出妥协。详细的讨论可以在[3]中找到。


WPE是一个重要的指标数字,代表了设备的整体质量。尽管过去几年取得了令人瞩目的进展,但要进一步改善性能仍面临巨大挑战。

如果去除温度限制,是否可以实现50%的WPE将是很有趣的。50%是一个重要的里程碑,因为它标志着光子产生战胜了声子产生。为

了应对这一挑战,专门为低温高效作业设计了两种新设计,分别称为单井注入器设计[17]和“超强耦合”主动设计[18]。单井注入器设

计的唯一性体现在注入器状态。从单个注入井开始,该结构中只有一个注入井状态。这种注入器状态的空间和能量位置经过精心设计,

以便在开启状态下建立“热正向填充”方案。该方案有利于种群反转和载体传输。这样可以使内部量子效率和电压效率最大化。在这种

结构下,WPE为53%,这代表了任何QCL的最高值。


多年来,在4.7 μm的特定波长附近已经出现了几个重要的突破。大多数这些突破可以很容易地适用于其它中红外波长。在所有的一切

中,材料质量是最重要的,并强烈地影响差分增益和在设备内的传输。虽然在提高材料质量方面做出了很大的努力,但界面粗糙度仍然

存在。目前,提出的许多“优化”设计只是对每个研究小组目前存在的材料做出了简单的反应。由界面效应引起的输运相干性的改变就

是一个很好的例子,它可以极大地改变通过隧道装置的峰值电流。因此,尽管通过微调振荡器强度和反交叉能量仍有望取得一些改进,

但提高器件性能的真正关键将是基于材料的。


由于高效量子级联激光器QCL的快速发展,在λ~4.6 ~ 4.8 μm范围内实现了室温连续运行的高功率DFB QCL[19,20]。设计并制备了一

种简单的平面光栅,其光栅深度为120nm。计算得到的耦合系数为1.37cm−1,模态损失识别为0.4 cm−1,对于5 mm长腔的单模态

工作是足够的。后刻面涂HR涂层,前刻面涂AR涂层。AR涂层不仅有助于提高斜度效率,而且有助于净化FP模式的高镜面损耗的激光

光谱。宽11 μm、长5 mm的DFB QCL器件在10% WPE的条件下,在室温、连续介质条件下产生2.4 W的输出功率。在整个电流范围

内观察到单模发射,其侧模抑制比(SMSR)为30 dB,远场为单叶。


3. 3-4 μm波段的高性能QCL

许多基本的C-H、N-H和O-H拉伸模式在3-4 μm的电磁波谱范围内具有很强的共振。例如,甲烷、甲醛、一氧化碳和一氧化二氮都是

强温室气体。因此,这些指纹区域在污染控制、呼吸分析或水污染物检测等应用中特别有趣。因此,在这个波长范围内的高效辐射源在

光谱法检测痕量气体中是必不可少的。由于低阈值电流密度和高输出功率[21],带间级联激光器(ICLs)在短波长区域具有良好的光源。

由于QCL具有较高的功率和定制发射频率的独特可能性,因此在这个光谱范围内也是合适的光源[22,23]。


应用4-5 μm高波长侧的QCL知识是实现3-4 μm QCL的途径之一。与长波长对应物相似,由于在量子阱系统中,相对于双声子共振或

约束于连续体设计,激光的上能级在绝对能量方面较低,因此采用3阱有源区或单声子共振来设计有源区。这就产生了更好的电子约

束,增加了电子通过光学声子发射和对连续体的热发射逃逸的活化能。


3-4 μm QCL的关键是高应变平衡超晶格GaxIn1-xAs/ AlyIn1-yAs,具有高材料质量[22]。当波长变短时,发射的光子能量变高,需要

更高的应变来为电子提供足够的能量约束。从4 ~ 5 μm到3 ~ 4 μm, GaInAs阱中的Ga组分从31%增加到21%,AlInAs屏障中的Al组

分从64%增加到89%。因此,导带偏移从0.8 eV增强到1.2 eV[24-26]。


这种高度应变平衡的超晶格的生长是非常具有挑战性的。我们使用定制设计的气体源分子束外延(GSMBE)在n-InP基板上生长我们的结

构。GSMBE反应器专门用于QCL的生长。反应器定期维护,以确保始终如一的高材料质量。对每个生长进行生长后表征,以确定设计

参数和监测生长条件。利用扫描电子显微镜和高分辨X射线衍射仪对薄膜的厚度和组成进行了表征。实验和模拟(X ' Pert外延)激光芯X

射线衍射曲线如图2所示。这两条曲线具有很好的一致性,确定了材料的组成。在X射线中,低背和高阶超晶格的尖峰表明,超晶格

中应变的增加伴随着尖锐的界面,卫星峰的半最大全宽(FWHM)最小为21.2弧秒。


 

图2. 30级激光芯的实验和模拟x射线衍射曲线


在过去的几年里,人们进行了一系列的实验来缩短QCL的发射波长。为了实现高功率室温连续波运行,将晶片加工成宽度为3 ~ 10 μm

的埋地脊结构。一个腔长为3-5毫米的装置被切割并向下安装在钻石底座上。图3总结了3.7 ~ 3.0 μm QCL的功率-电压(P-I-V)性能发

展。λ~3.7 μm时,连续波最大输出功率为1.1W,阈值电流密度为1.67KA/cm2,斜率效率接近阈值2.16 W/ a。连续波和脉冲操作的

最大RT和WPE分别为6%和10%。在3.3 ~ 3.6 μm范围内,λ~3.56 μm和λ~3.39 μm处的最大RT功率为437 mW,连续功率为

403mW。λ~3.7 μm时,脊宽为3 μm,腔长为5mm的QCL在室温下的最大连续波输出功率为2.8 mW。对于任何QCL来说,3.02 μm

的发射波长是显示连续波运行的最短波长。


 

图3. 3-4 μm波长范围内QCL的P-I-V性能


4. λ~6-10 μm的宽带QCL

在5 ~ 11 μm的光谱范围内,尤其富含NO、CH4、N2O、CO2、NH3等气体的吸收谱线。要实现全范围的中红外光谱,需要一个广

泛可调的源,光谱中没有任何间隙。这可以通过级联多个QCL核芯,即异质有源结构[27],在不同波长的峰值增益,形成一个宽阔平坦

的增益光谱,其中单个波长可以通过光反馈机制选择。在此之前,活性区域被设计在晶格匹配的Al0.48In0.52As/Ga0.47In0.53As中,

这样就可以在没有应变松弛[28]的情况下生长由许多核组成的非常厚的宽带结构。虽然这能成功实现的较长波长发射,但在较短的波长

晶格匹配QCL性能恶化[4]。应变平衡结构可以解决这一问题,但由于阱和势垒宽度的不同,应变水平和材料组成通常随发射波长而变

化。在标准MBE反应器中,通过改变积液细胞温度来动态地改变单个生长过程中的组分,将导致生长速率和组分的不确定性。这将导

致单个核的发射波长的不确定性,阻碍实现无间隙的宽发射光谱。因此,如果在所有波长都能保持高效率,那么宽频带QCL中所有核心

的材料组成都保持恒定的替代设计方案是可取的。


为了解决这一问题,提出了一种新的设计方法,在保持高应变Al0.63In0.37As/Ga0.35In0.65As组成不变的情况下,利用

Ga0.35In0.65As/Ga0.47In0.53As[29]复合孔来调节结构中的净应变。对于具有合理通量稳定性的MBE系统,在需要校准之前,可以

在不同波长设计多个QCL晶片。这大大减少了QCL生长设备的时间和精力,从而降低了每片晶圆的成本。


图4 (a)为6核级联的异构宽带量子级联激光QCL的示意图。根据应变平衡相似的Al0.63In0.37As/Ga0.35In0.65As/Ga0.47In0.53As超

晶格进行优化,如图4(b)所示。对于5.2、6.7、8.2、9.1、11 μm,壁面塞效率分别为18.4%、15.7%、15.4%、13.2%、4.8%;这些价

值可与最先进的媲美。刚超过阈值的激光器的EL和发射光谱如图5(a)所示。观测到的辐射范围为1014 cm−1,这使得它们适合集成到

异质宽带激光器中。


 

图4. (a)异构宽带QCL原理图。(b) 8.2μm QCL的结构

 

图5. (a)分离孔QCL的电致发光和激光发射光谱。(b) EL和DFB光谱,以及宽带QCL的DFB阈值电流密度


设计了一个含6个优化子核的非均相QCL活性区,其辐射范围为6 ~ 10 μm。所有子核心均基于相似的复合井方案。首次尝试得到5.9 ~

 10 μm的单模DFB发射(图5(b))。虽然在子峰之间增益不足,但可以通过改变子核的发射级数、相对排列方式和发射波长来解决,从而

实现扁平增益。


5. 波长灵活量子级联激光器

量子级联激光器是光谱学研究的有力工具。广泛的光谱覆盖,结合窄线宽输出和高功率使广泛的应用,包括光声和对峙光谱。然而,传

统的窄线宽QCL的调谐范围只有~5 cm−1,这通常限制了对单一类型分子的检测。外腔技术可以显著扩大调谐范围,但光学精度的要

求,该系统对机械振动的敏感性,以及大光栅质量限制扫描速度限制了技术的潜力。


作为一种替代方案,我们采用采样光栅分布反馈(SGDFB)技术对QCL进行完全单片电子调谐(图6(a))[30]。类似的技术最初是为电信开

发的,最近由我们的团队应用于量子级联激光器。在SGDFB激光器中,采样周期不同的两个采样光栅段合并在同一波导中。改变电流

密度在一个区域相对于另一个(ΔJ)通过游标效应改变发射波长。原则上,一个大的(>10 ×)调谐范围增强是可能的标准单模激光器适当

的设计。

 

图6. (a) SGDFB几何结构示意图。

(b)在单个晶片上使用不同光栅周期的离散SGDFB激光器实现光谱覆盖


制备了前后段长度分别为~1.6 mm和~1.4 mm的SGDFB QCL。两部分均采用30周期光栅,采样3次,其中光栅周期为753 nm。该晶

片被加工成脊宽为10 μ m的双通道脊波导,并被切割成腔长为3 mm的器件。单模调谐超过50 cm−1达到阈值以上是通过增加某部分

的电流实现的。这比一个简单的DFB激光器的电调谐增加了5-10倍。在调谐范围内,在RT下可以获得超过100 mW的连续波功率,平

均SMSR为24 dB。


SGDFB运行在增益峰值附近实现后,下一个领域是在给定的晶圆上可达到的整体光谱范围。用于SGDFB实验的激光增益区域在室温下

的电致发光全半宽(FWHM)为400 cm−1。在增益峰中心附近仅探测到约120 cm−1。然而,证明一个远离增益峰值的单模激光器是比

较困难的,因为我们必须为腔超模(远离增益峰值)提供足够的增益,同时抑制自然的法布里-珀罗(FP)振荡(在增益峰值)。


随着抗反射(AR)涂层的应用(两个方面均为10%),SGDFB技术允许离散激光在单个晶片上发射超过宽光谱范围的激光。为了补偿这种减

少的反馈,每个采样周期的光栅周期数增加到60。为了确定该设计的全光谱范围,图6(b)中显示了光栅周期为695、753和825 nm的

Ng = 60激光器的额外测试。脉冲阈值电流范围从增益峰值附近的0.6 A到光谱覆盖极限的0.9 A。一个类似的单间隔调谐范围(16厘米

−1)被证明为所有三激光器。总的来说,对于这种SGDFB设计,超过800 nm (351 cm−1)可以通过单模行为访问。Λ = 753 nm激光器

的峰值功率级别在其调谐范围[31]范围内从380到1200 mW。


使用更先进的光栅结构,单个SGDFB激光器的调谐范围也得到了进一步的探索。主要的挑战是克服增益曲线的峰值特性。这是通过修

改激光腔内的衍射反馈来部分补偿增益光谱的曲率来实现的。为此采用了数字级联光栅(DCG)。DCG由多个采样光栅(在本例中为2个)

组成,这些光栅具有不同的布拉格波长和相同的采样周期。该结构的原理图和实验实现如图7所示。


 

图7. (a)数字级联光栅和蚀刻双光栅试件的斜像示意图。

(b)从室温下工作的可调谐DCG-SCGDFB中选择的发射光谱


为了实验实现广泛的电调谐,使用DCG-SGDFB设计原理制造了激光器。双采样光栅的周期为Λ1 = 670和Λ2 = 920 nm,以覆盖宽光

谱范围。为了提供更大的调谐范围和足够的反馈,显著减少了每个采样周期的光栅周期数(每个光栅周期4个),增加了采样周期数(每个

截面25个)。共用AR涂层制备了9毫米腔体。这种方法确实被证明是成功的,允许在λ = 4.6 μm[32]附近的单个激光器调谐高达243

 cm−1。


SGDFB QCL技术目前正在探索更广泛的调优范围。每台激光器具有~200 cm−1或更高的调谐,小格式SGDFB阵列具有覆盖极宽光谱

区域的潜力。主要的限制是激光本身的增益带宽。利用宽带实现更宽的调谐激光系统,异质激光器目前正在开发中。


6. 用于宽电调谐的具有片上波束组合的QCL 

最近演示的宽波长覆盖5.9- 10 μm的宽带QCL代表着向紧凑和广泛可调谐的红外激光器源系统迈出的重要一步。下一步是建立一个

合适的调谐系统来访问这个广泛的波长范围。虽然外部腔QCL已经能够覆盖最大432cm−1调谐,从7.6- 11.4 μm[28],而DFB QCL阵

列已经显示覆盖约100 cm−1[33],这两种调谐系统都是复杂的,并依赖额外的光学元件来进行调谐或光束组合。由于DFB阵列中的每

个元素只能在几cm−1的小范围内进行调整,因此阵列的大小可以大得令人望而却步,以覆盖数百cm−1的范围。采用采样光栅分布反

馈(SGDFB) QCL作为可调谐激光阵列的元件,在相同调谐范围内可显著减少阵列元件的数量。此外,由于元件的数量较少,可以集成

一个片上波束合成器,将来自不同SGDFB激光器的信号传送到单个输出通道。一个用于QCL的片上波束合成器的功能已经通过一个用

于功率缩放的树阵列合成器得到了证明。


在我们最近的工作中,我们展示了第一个可调谐QCL阵列与片上波束合成器。激光源能够访问181.7cm−1的无间隙调谐范围,覆盖的

波长范围从6.73到7.66 μm[35]。可调QCL阵列由8个带有波束组合器的双截面SGDFB QCL组成,如图8所示。合成器部分包含7个相同

的二合一合成器,以树状阵列的方式将8个激光输入输出到单个输出。一个普通激光器和合成器部分的两个部分可以独立偏置以供设备

操作。总触点数为17,不包括共享底部触点。


 

图8. (a)三截面QCL源的原理图,其中包括8个SGDFB激光器和一个树阵列光束组合器截面。

(b)激光结构和三截面独立偏置方案


在最佳工作状态下,可以将合成器部分偏置为光放大器,从而在补偿分光损耗的同时实现高功率输出。优化组合器以提高放大效率和光

束质量目前正在研究中。一旦这种技术被应用到具有宽和面增益介质的激光器上,预计将会出现一个单片、广泛可调的QCL源。


7. 基于中红外QCL的 DFG的太赫兹源

太赫兹光谱范围(1-10太赫兹)对于爆炸物和药物检测、安全筛查(t射线成像)、天文学和医学成像等应用非常有趣。其中许多应用程序有

可能影响并维护我们的日常生活,因此,对普通公众和行业有巨大的吸引力。正如电信技术在过去30年里所证明的那样,单片集成是

推动太赫兹技术接近理想来源的合乎逻辑的下一步。晶圆规模的加工允许大规模生产,高产量和低成本。为此,组件和集成技术的开发

都是至关重要的。


一个有前途的平台是基于InP的内腔差分频率产生,使用中红外量子级联激光器(QCLs)[36-38]。该技术利用设计的子带间非线性磁化

率(χ(2))的双频泵浦激光器在单个波导内产生窄线宽太赫兹辐射。除了提供丰富的美丽的物理研究,这种技术允许紧凑,室温操作在广

泛的光谱范围。我们的团队利用最先进的QCL技术,在以下四个方面取得了稳步的进展:稳定的太赫兹频率发射;太赫兹高权力;连续波操

作;和宽频率的可行性[39]。


在典型的Fabry-Pérot (FP)多模腔中,光强在不同的中红外频率之间扩散,总功率是许多小Wi分量的总和。因此,产品WiWj将是小

的,而太赫兹光谱将相当宽(Δv ~0.5-1 THz)。为了对太赫兹光谱进行提纯和调谐,需要将所有的中红外功率集中在两个单模工作的中

红外频率上,并且它们的频率位置需要可控和可调。达到这一目的最直接的方法是使用具有两个波长分量的复合DFB光栅,如图9(a)所

示,对中红外光谱以及太赫兹光谱进行提纯和调谐。利用该技术,在4.1 THz范围内,在不同的电流和温度下,首次实现了稳定的频率

输出和窄线宽的室温单模THz发射。这为我们接下来的工作奠定了基础,单模太赫兹发射是我们的太赫兹源的共同特征。


 

图9. (a)两个波长分量的复合DFB光栅(下半部分)及其傅里叶变换(上半部分)。

(b) Čerenkov相位匹配示意图(上半部分)和上向下安装的太赫兹器件示意图(下半部分)


基于DFG的第一代太赫兹QCL源的有源区设计采用双核结构,两个波长采用双声子共振(DPR)和束缚-连续体(BTC)衰减方案。然而,只

有BTC核心设计了一个巨大的非线性磁化率,而DPR核心仅作为一个低THz产生的中红外源[36,37]。为了改善非线性THz转换,第二代

THz源采用双核结构,采用两种单声子共振(SPR)设计,并在1-5 THz范围[40]中设计了一个巨大的χ(2)。为了探索该设计的宽带太赫兹

产生,采用模态相位匹配方案制作了10个复合DFB器件阵列,实现了3.3 ~ 4.6 THz的太赫兹阶跃调谐。


具有模态相位匹配方案的波导由于在n掺杂InP衬底中具有高的自由职业吸收而具有很高的损耗。由于在太赫兹范围内相对于中红外指

数(nmidir)有更快的频率依赖有效指数,模态相位匹配只能在相对较窄的频率范围内满足。为了克服这一限制,可以用半绝缘的InP衬

底代替有损耗的衬底,并使用Čerenkov相位匹配方案从腔中提取THz光,如图9(b)[41,42]所示。在Čerenkov构型中,QCL有源区的

THz指数(nTHz)高于中红外指数,因此基波中红外波的传播速度快于DFG太赫兹波。这种相位匹配方案,加上复合DFB阵列设计,允许

产生宽范围的单模太赫兹,即达到1.0至4.6太赫兹(图10(c))。


 

图10. 室温下高峰值功率(a)、连续波工作(b)和宽范围频率维持(c)的太赫兹QCL源的最新发展


尽管光谱覆盖范围很广,太赫兹功率有限,仅为数十μW量级。这是由于贴膜向上安装和350 μm厚的基片导致的较差的散热机制,以

及由于通过底部接触层的单侧电流注入而导致的低效电流注入方案。为了解决这些问题,我们使用了如图9(b)所示的双侧电流注入方

案,将Čerenkov装置安装在一个有图案的子座上,并演示了高达0.22 mW的太赫兹峰值功率。这种下压式安装策略,对于面积更大的

器件,热积累大大减轻。因此,脉冲模式下的太赫兹峰值功率可以通过中红外功率积和转换效率显著提高。最近,通过使用这种技术,

THz峰值功率高达1.9 mW,转换效率为0.8 mW/W2,如图10(a)[44]所示。这里和之后,测量的太赫兹功率没有校正任何收集效率,

因为在测试设置中提高了收集效率。该设备的最大WPE达到0.7 × 10−5。进一步扩大THz功率与广域波导设计[45]应该能够显著提高

功率和效率。


连续太赫兹在室温下的工作能力对其广泛应用和商业化具有极其重要的意义。通过采用埋地复合DFB光栅和埋地脊波导降低波导损耗,

我们展示了第一个3.6 THz、功率为3 μW的室温连续波THz QCL源(图10(b)),并采用向下安装方案[46]。在连续波运行下,太赫兹功

率有望通过更好的有源区设计和增长,以及设计出更高效率的外耦合方案来提高。


上面的演示是具有几乎固定的太赫兹频率输出的单模太赫兹发射。对于大多数太赫兹技术的应用,一个紧凑的太赫兹源覆盖整个1-

5THz频率范围是非常需要的。为此,我们使用多截面SGDFB-DBR波导几何结构[47],展示了一种广泛的电调谐室温太赫兹光源,其连

续频率调谐范围为2.6-4.2THz。该器件由两个SGDFB部分和一个DBR部分组成,三个部分之间有两个100 μm的隔离通道。两个

SGDFB部分应用不同的直流电流,获得160-180 GHz的宽范围太赫兹步长调谐。为了桥接频率阶跃,在DBR部分应用不同的直流电流

来实现准连续调谐。


目前的实施是一个良好的开始,理论预测实现更大范围内的更高功率是可能的。随着进一步的发展,这一便携式平台终有一天会成为多

种太赫兹研究课题和应用的实现技术。


8. 结论

量子级联激光器经过近二十年的巨大发展,正在成为中红外和太赫兹频率范围内领先的半导体激光源。特别是近年来在3 ~ 5 μm波长范围内的高功率、高效率QCL、面发射环腔QCL、高功率β型分布反馈QCL、宽光谱范围3 ~ 12 μm的宽带QCL、基于双截面采样光栅设计的波长灵活QCL、用于控制光束质量的宽范围电调谐的片上QCL波束合成器以及基于差频产生的高性能室温太赫兹QCL源,正将QCL技术推向新的研究前沿。随着该技术的进一步发展,许多新的基于QCL的应用可能会在不久的将来出现。



参考文献

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