中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
量子級聯(lián)激光器（QCL）是中紅外波段重要的激光光源，其中，可調諧中紅外量子級聯(lián)激光器具有單縱模、頻率可調諧的優(yōu)點(diǎn)，成為目前研究的熱點(diǎn)?？烧{諧中紅外量子級聯(lián)激光器主要通過(guò)分布反饋（DFB）光柵、分布布拉格反射（DBR）光柵、外腔衍射光柵等方法實(shí)現。其中，外腔結構調諧方法中亦可分為兩種結構：一種為利用衍射光柵調諧出射波長(cháng)的方法；一種為集成結構器件。
近期，中國工程物理研究院激光聚變研究中心的科研團隊在《太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“中紅外可調諧量子級聯(lián)激光器研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為劉瑩，通訊作者為王雪敏研究員，主要研究方向為中紅外及太赫茲量子級聯(lián)器件。
本文介紹了中紅外量子級聯(lián)激光器的基本原理，分別歸納、總結了近年來(lái)DFB、DBR可調諧量子級聯(lián)激光器以及外腔可調諧量子級聯(lián)激光器的研究進(jìn)展，討論了各種可調諧方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，對可調諧量子級聯(lián)激光器的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
基于Bragg光柵結構的可調諧QCL
基于DBR光柵結構的可調諧QCL
2012年美國Corning公司報道了一種利用取樣布拉格（SG-DBR）光柵進(jìn)行波長(cháng)調諧的QCL，結構如圖1所示。該公司在2014年再次報道DBR 光柵可調諧QCL，該激光器能夠在高溫度（80 ℃）下實(shí)現連續波大功率輸出，脈沖功率可達2 W，激光器可實(shí)現穩定的單縱模工作，邊模抑制比30 dB，增益波長(cháng)4.5 μm，調諧范圍5 cm?1，如圖2所示。
圖1 SG-DBR光柵可調諧量子級聯(lián)激光器結構示意圖
圖2 測試光譜圖
通過(guò)近些年DBR-QCL的發(fā)展可以看出，DBR 結構在QCL中的應用并不廣泛，因為相比于DFB以及外腔量子級聯(lián)激光器（EC-QCL），DBR-QCL一般調諧范圍較小，高功率和寬調諧范圍同時(shí)實(shí)現較難。單縱模穩定性還不能達到應用的需求，并且控制DBR激光器調諧參數實(shí)現氣體檢測的高分辨力和寬調諧范圍更加復雜，所以此種激光器，尤其在中紅外波段，在光譜氣體傳感中的應用并未得到有效的驗證，基于DBR光柵的可調諧QCL有待進(jìn)一步發(fā)展。
基于DFB光柵結構的可調諧QCL
近年來(lái)，基于DFB原理的可調諧QCL逐漸發(fā)展。2012年，美國西北大學(xué)量子器件研究中心采用SG-DFB結構對激光器進(jìn)行調諧，結構如圖3所示。
圖3 可調諧DFB量子級聯(lián)激光器
該團隊還探索將數字級聯(lián)光柵用于QCL中，即由多個(gè)取樣光柵組成的具有不同的Bragg波長(cháng)和相同的取樣周期，通過(guò)這種方式補償非增益中心區，利用電調諧該器件實(shí)現了236 cm?1的調諧范圍，邊模抑制比大于20 dB，激射中心波長(cháng)4.65 μm，如圖4所示。
圖4 數字級聯(lián)光柵示意圖
從DFB-QCL研究現狀可以看出，DFB-QCL的發(fā)展及應用都比DBR-QCL成熟且廣泛，SG-DFB激光器調諧范圍可實(shí)現200~300 cm?1，連續功率可以達到百毫瓦級，已經(jīng)應用于氣體檢測中，DFB激光器具有較好的波長(cháng)及功率的穩定性，波長(cháng)調諧的復雜性也較低，較DBR光柵結構容易控制。目前DFB及DBR光柵結構的QCL的工作波長(cháng)普遍在4~8 μm，對于8~15 μm中紅外波段的研究較少，隨著(zhù)波長(cháng)的增加，激光器性能迅速衰減，這是由于隨著(zhù)波長(cháng)增加，上能級壽命降低，導致粒子數反轉條件很難達到，注入能級向低能級的泄漏會(huì )增加，由于載流子吸收導致波導損耗增加，散熱特性較差。這些因素都制約著(zhù)中紅外QCL的發(fā)展，基于中紅外波段良好的應用前景，對該波段可調諧QCL的研究具有重要意義。
基于外腔調諧的QCL（EC?QCL）
基于衍射光柵的EC-QCL
EC-QCL相比于以上2種激光器的性能更加優(yōu)越，可以獲得更大的調諧范圍、功率以及更窄的線(xiàn)寬，也是研究人員研究的熱點(diǎn)。典型的EC-QCL結構有Littrow結構和Littman結構，Littrow結構用衍射光柵的一級衍射進(jìn)行波長(cháng)選擇，如圖5所示。光柵與激光器后端面形成諧振，經(jīng)過(guò)波長(cháng)選擇的零級衍射光通過(guò)衍射直接輸出，實(shí)現壓窄線(xiàn)寬和高的邊模抑制比，通過(guò)改變光柵角度改變選擇的波長(cháng)。
圖5 Littrow結構和Littman結構示意圖
2016年，中科院半導體所報道了一種低閾值的ECQCL，如圖6所示。采用Littrow結構，在衍射光柵外側增加一面反射鏡，零級衍射光經(jīng)反射鏡反射后輸出。通過(guò)調節光柵角度實(shí)現128 cm?1波長(cháng)調諧（6.78~7.43 μm）。
圖6 外腔可調諧量子級聯(lián)激光器
2017年，中科院半導體所利用衍射光柵對4個(gè)QCL單管進(jìn)行了合束，4個(gè)單個(gè)管芯分別封裝在不同的熱沉上，依次前后排列，如圖7所示。
圖7 合束結構示意圖
2018年，荷蘭Radboud University報道了一種可調諧EC-QCL，以及基于此激光器對丙酮的直接吸收和二次調諧波長(cháng)吸收光譜。激光器工作波長(cháng)在8 μm附近，實(shí)驗采用Littrow結構對QCL進(jìn)行調諧，結構如圖8所示。
圖8 外腔量子級聯(lián)激光器結構示意圖
2018年美國Harvard University報道了一種基于注入鎖定的可調諧EC-QCL，采用一款商用的激光器對F-P腔量子級聯(lián)激光器進(jìn)行光注入，如圖9所示。2019年，德國柏林大學(xué)物理研究所報道了一種可調諧EC-QCL，結構如圖10所示。在光柵與QCL之間增加分束器，在光柵與QCL之間諧振的激光通過(guò)分束器和反射鏡輸出，這樣能夠將輸出功率提高到33%。
圖9 光注入法外腔可調諧QCL結構示意圖
圖10 增加分束器的Littrow結構
EC-QCL激光器輸出功率和調諧范圍以及光譜寬度在一定程度上不可同時(shí)獲得，并且激光器輸出功率一定程度上取決于光路的設計，即使量子級聯(lián)激光器芯片的功率較高，也會(huì )有很大一部分功率保留在腔內，利用程度不高。研究人員不斷從激光器外延生長(cháng)、外腔結構等方面不斷探索以提高性能。從外腔量子級聯(lián)激光器的研究現狀中可以看出，外腔量子級聯(lián)激光器已逐漸發(fā)展成熟。5 μm波段附近ECQCL性能相對比較優(yōu)越，與更長(cháng)波長(cháng)的激光器相比，5 μm波段附近QCL外延生長(cháng)復雜程度較低，技術(shù)相對成熟。激光功率最高能夠達到5 W以上水平，調諧范圍也比較大，能夠實(shí)現500 cm?1左右的調諧。而波長(cháng)在8 μm及以上的QCL芯片在外延生長(cháng)控制方面較為復雜，所以此波段外腔激光器輸出激光功率相比5 μm波段略低，能夠達到百毫瓦級，調諧范圍大于300 cm?1?；谠摬ǘ渭す馄靼l(fā)展水平以及重要應用，此波段激光器具有很大的研究?jì)r(jià)值，該波段激光器性能的進(jìn)一步提升，將會(huì )對其在光譜檢測、自由空間光通信及國防領(lǐng)域的應用產(chǎn)生推動(dòng)作用。
外腔集成中紅外光子器件
外腔集成器件因其結構緊湊、調諧速率快等優(yōu)點(diǎn)也受到廣泛關(guān)注，以SOI、Ge基材料集成外腔結構為代表，如果能夠進(jìn)一步集成化將對QCL的應用產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。目前SOI是最成熟的光子器件，隨著(zhù)器件集成化不斷向長(cháng)波方向發(fā)展，而SOI波導中波長(cháng)大于4 μm的光損耗較大，目前已經(jīng)嘗試了很多種替代方案，如藍寶石上硅薄膜、氮化硅、多孔硅、懸空硅、絕緣體上鍺硅、鍺錫合金等。其中鍺及鍺錫合金具有更寬的透明范圍（2~15 μm），下一步將成為光子器件研究的熱點(diǎn)，但目前面臨QCL管芯無(wú)法與無(wú)源光子器件集成封裝的問(wèn)題，阻礙了無(wú)源光子器件的進(jìn)一步應用，外腔集成器件具有很大的發(fā)展空間。
2019年該團隊再次利用Geon-SOI材料制備外腔集成DBR結構對5.1 μm波長(cháng)的QCL進(jìn)行波長(cháng)調諧，結構圖如圖11所示，通過(guò)電注入改變光柵兩側材料的溫度，DBR光柵的折射率發(fā)生變化從而實(shí)現波長(cháng)調諧。最終實(shí)驗獲得了50 nm的調諧范圍。
圖11 Ge-on-SOI材料DBR反射器結構
2017年，美國西北大學(xué)電子工程與計算機科學(xué)系量子器件中心報道了一種集成的可調諧QCL，如圖12所示。2018年，美國加州大學(xué)基于Ge-on-Si材料制備了7×8陣列波導光柵，操作波長(cháng)4.7 μm，如圖13所示。
圖12 激光合束結構示意圖
圖13 陣列波導光柵SEM圖
總之，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，QCL已發(fā)展為中紅外波段重要的激光光源，中紅外可調諧QCL必將得到更多的研究。首先，中紅外可調諧QCL的波長(cháng)將會(huì )向長(cháng)波方向繼續拓展，這也將進(jìn)一步促使外延結構設計及生長(cháng)技術(shù)的進(jìn)一步提升，室溫下操作的中紅外可調諧QCL將具有更高的可靠性，功耗也將不斷降低。隨著(zhù)中紅外可調諧QCL結構研究的不斷深入，DFB、DBR等集成結構將逐步替代外腔可調諧QCL，雖然外腔調諧技術(shù)可以顯著(zhù)擴大調諧范圍，但由于光學(xué)系統對機械振動(dòng)的敏感性不能滿(mǎn)足精密光學(xué)的要求，大光柵質(zhì)量、體積等因素限制了掃描速度，可挖掘的技術(shù)潛力受限。而DFB、DBR等集成器件目前面臨調諧帶寬窄、調諧速率慢、功率不穩定的問(wèn)題，調諧帶寬主要依賴(lài)于增益介質(zhì)和結構設計。其次，中紅外可調諧QCL下一步發(fā)展方向將在提升激光器增益帶寬的同時(shí)重點(diǎn)研究光柵的結構設計，保證QCL增益介質(zhì)的全帶寬被充分利用，并且著(zhù)力解決調諧過(guò)程中隨著(zhù)調諧波長(cháng)的變化功率不穩定的問(wèn)題。目前，大部分可調諧QCL主要依賴(lài)于熱調諧，盡管較電調諧具有更快的調諧速率和穩定性，但仍不能滿(mǎn)足光通信和化學(xué)傳感領(lǐng)域的應用需求，理想情況下DFB-QCL調諧1 cm?1的時(shí)間約為140 ns，而實(shí)際操作中，由于高性能的連續可調諧DFB/DBR-QCL一般具有有效的熱封裝，導熱性能優(yōu)越，并且電流必須在器件允許的范圍內，導致實(shí)際調諧速度會(huì )降低10 倍，所以解決這一矛盾、獲得快速可調諧DFB/DBR-QCL是重要發(fā)展方向。最后，通過(guò)對新材料、新結構的不斷探索，逐步實(shí)現窄線(xiàn)寬、寬調諧范圍、快調諧速率、功率穩定、集成化是可調諧QCL的發(fā)展方向，同時(shí)激光器的斜率效率、單縱模特性以及光束質(zhì)量將不斷得到提升。
結論
綜上所述，通過(guò)可調諧QCL的研究進(jìn)展可以看出，4~8 μm波段的QCL技術(shù)比較成熟，激光器功率、線(xiàn)寬性能較為優(yōu)越，基于此特點(diǎn)，針對該波段激光器的衍生研究也更加豐富，因此，在DBR、DFB、外腔Littrow/Littman結構以及外腔集成結構器件等方面均有進(jìn)展，并且基于外腔Littrow結構的可調諧QCL更容易獲得寬調諧范圍和窄光譜線(xiàn)寬，由于外腔Littrow結構機械特性，調諧速率普遍低于DBR、DFB光柵結構；此波段外腔集成型可調諧結構還處于實(shí)驗探索階段，損耗、調諧等特性需要進(jìn)一步優(yōu)化。8 μm以上波段QCL仍需更多的基礎性研究，如外延結構設計及生長(cháng)技術(shù)等，以提高性能，促進(jìn)應用，此波段結構探索更多研究集中于利用DBR、DFB光柵結構實(shí)現單縱模、窄線(xiàn)寬特性，外腔Littrow結構更多用于實(shí)現可調諧性能。近幾年，美國西北大學(xué)、哈佛大學(xué)、俄羅斯圣光機大學(xué)、比利時(shí)根特大學(xué)等紛紛開(kāi)展對量子級聯(lián)激光器的研究，并取得很大進(jìn)展。隨著(zhù)應用需求的升級，器件集成化、小型化、一體化是必然趨勢，8~15 μm量子級聯(lián)激光器芯片以及其外腔集成封裝將得到進(jìn)一步的研究和發(fā)展。
