中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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(diào)諧中紅外量子級聯(lián)激光器具有單縱模、頻率可調(diào)諧的優(yōu)點，成為目前研究的熱點。可調(diào)諧中紅外量子級聯(lián)激光器主要通過分布反饋（DFB）光柵、分布布拉格反射（DBR）光柵、外腔衍射光柵等方法實現(xiàn)。其中，外腔結(jié)構(gòu)調(diào)諧方法中亦可分為兩種結(jié)構(gòu)：一種為利用衍射光柵調(diào)諧出射波長的方法；一種為集成結(jié)構(gòu)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(diào)諧量子級聯(lián)激光器研究進展”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(jié)了近年來DFB、DBR可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器以及外腔可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器的研究進展，討論了各種可調(diào)諧方法的優(yōu)缺點。最后，對可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器的發(fā)展趨勢進行了展望。
基于Bragg光柵結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧QCL
基于DBR光柵結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧QCL
2012年美國Corning公司報道了一種利用取樣布拉格（SG-DBR）光柵進行波長調(diào)諧的QCL，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該公司在2014年再次報道DBR 光柵可調(diào)諧QCL，該激光器能夠在高溫度（80 ℃）下實現(xiàn)連續(xù)波大功率輸出，脈沖功率可達2 W，激光器可實現(xiàn)穩(wěn)定的單縱模工作，邊模抑制比30 dB，增益波長4.5 μm，調(diào)諧范圍5 cm?1，如圖2所示。
圖1 SG-DBR光柵可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 測試光譜圖
通過近些年DBR-QCL的發(fā)展可以看出，DBR 結(jié)構(gòu)在QCL中的應(yīng)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(diào)諧范圍較小，高功率和寬調(diào)諧范圍同時實現(xiàn)較難。單縱模穩(wěn)定性還不能達到應(yīng)用的需求，并且控制DBR激光器調(diào)諧參數(shù)實現(xiàn)氣體檢測的高分辨力和寬調(diào)諧范圍更加復(fù)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(yīng)用并未得到有效的驗證，基于DBR光柵的可調(diào)諧QCL有待進一步發(fā)展。
基于DFB光柵結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧QCL
近年來，基于DFB原理的可調(diào)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(jié)構(gòu)對激光器進行調(diào)諧，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 可調(diào)諧DFB量子級聯(lián)激光器
該團隊還探索將數(shù)字級聯(lián)光柵用于QCL中，即由多個取樣光柵組成的具有不同的Bragg波長和相同的取樣周期，通過這種方式補償非增益中心區(qū)，利用電調(diào)諧該器件實現(xiàn)了236 cm?1的調(diào)諧范圍，邊模抑制比大于20 dB，激射中心波長4.65 μm，如圖4所示。
圖4 數(shù)字級聯(lián)光柵示意圖
從DFB-QCL研究現(xiàn)狀可以看出，DFB-QCL的發(fā)展及應(yīng)用都比DBR-QCL成熟且廣泛，SG-DFB激光器調(diào)諧范圍可實現(xiàn)200~300 cm?1，連續(xù)功率可以達到百毫瓦級，已經(jīng)應(yīng)用于氣體檢測中，DFB激光器具有較好的波長及功率的穩(wěn)定性，波長調(diào)諧的復(fù)雜性也較低，較DBR光柵結(jié)構(gòu)容易控制。目前DFB及DBR光柵結(jié)構(gòu)的QCL的工作波長普遍在4~8 μm，對于8~15 μm中紅外波段的研究較少，隨著波長的增加，激光器性能迅速衰減，這是由于隨著波長增加，上能級壽命降低，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件很難達到，注入能級向低能級的泄漏會增加，由于載流子吸收導(dǎo)致波導(dǎo)損耗增加，散熱特性較差。這些因素都制約著中紅外QCL的發(fā)展，基于中紅外波段良好的應(yīng)用前景，對該波段可調(diào)諧QCL的研究具有重要意義。
基于外腔調(diào)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(diào)諧范圍、功率以及更窄的線寬，也是研究人員研究的熱點。典型的EC-QCL結(jié)構(gòu)有Littrow結(jié)構(gòu)和Littman結(jié)構(gòu)，Littrow結(jié)構(gòu)用衍射光柵的一級衍射進行波長選擇，如圖5所示。光柵與激光器后端面形成諧振，經(jīng)過波長選擇的零級衍射光通過衍射直接輸出，實現(xiàn)壓窄線寬和高的邊模抑制比，通過改變光柵角度改變選擇的波長。
圖5 Littrow結(jié)構(gòu)和Littman結(jié)構(gòu)示意圖
2016年，中科院半導(dǎo)體所報道了一種低閾值的ECQCL，如圖6所示。采用Littrow結(jié)構(gòu)，在衍射光柵外側(cè)增加一面反射鏡，零級衍射光經(jīng)反射鏡反射后輸出。通過調(diào)節(jié)光柵角度實現(xiàn)128 cm?1波長調(diào)諧（6.78~7.43 μm）。
圖6 外腔可調(diào)諧量子級聯(lián)激光器
2017年，中科院半導(dǎo)體所利用衍射光柵對4個QCL單管進行了合束，4個單個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(jié)構(gòu)示意圖
2018年，荷蘭Radboud University報道了一種可調(diào)諧EC-QCL，以及基于此激光器對丙酮的直接吸收和二次調(diào)諧波長吸收光譜。激光器工作波長在8 μm附近，實驗采用Littrow結(jié)構(gòu)對QCL進行調(diào)諧，結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 外腔量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)示意圖
2018年美國Harvard University報道了一種基于注入鎖定的可調(diào)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(diào)諧EC-QCL，結(jié)構(gòu)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分束器和反射鏡輸出，這樣能夠?qū)⑤敵龉β侍岣叩?3%。
圖9 光注入法外腔可調(diào)諧QCL結(jié)構(gòu)示意圖
圖10 增加分束器的Littrow結(jié)構(gòu)
EC-QCL激光器輸出功率和調(diào)諧范圍以及光譜寬度在一定程度上不可同時獲得，并且激光器輸出功率一定程度上取決于光路的設(shè)計，即使量子級聯(lián)激光器芯片的功率較高，也會有很大一部分功率保留在腔內(nèi)，利用程度不高。研究人員不斷從激光器外延生長、外腔結(jié)構(gòu)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(xiàn)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，與更長波長的激光器相比，5 μm波段附近QCL外延生長復(fù)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(diào)諧范圍也比較大，能夠?qū)崿F(xiàn)500 cm?1左右的調(diào)諧。而波長在8 μm及以上的QCL芯片在外延生長控制方面較為復(fù)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(diào)諧范圍大于300 cm?1。基于該波段激光器發(fā)展水平以及重要應(yīng)用，此波段激光器具有很大的研究價值，該波段激光器性能的進一步提升，將會對其在光譜檢測、自由空間光通信及國防領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生推動作用。
外腔集成中紅外光子器件
外腔集成器件因其結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)諧速率快等優(yōu)點也受到廣泛關(guān)注，以SOI、Ge基材料集成外腔結(jié)構(gòu)為代表，如果能夠進一步集成化將對QCL的應(yīng)用產(chǎn)生巨大的促進作用。目前SOI是最成熟的光子器件，隨著器件集成化不斷向長波方向發(fā)展，而SOI波導(dǎo)中波長大于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，但目前面臨QCL管芯無法與無源光子器件集成封裝的問題，阻礙了無源光子器件的進一步應(yīng)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(jié)構(gòu)對5.1 μm波長的QCL進行波長調(diào)諧，結(jié)構(gòu)圖如圖11所示，通過電注入改變光柵兩側(cè)材料的溫度，DBR光柵的折射率發(fā)生變化從而實現(xiàn)波長調(diào)諧。最終實驗獲得了50 nm的調(diào)諧范圍。
圖11 Ge-on-SOI材料DBR反射器結(jié)構(gòu)
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(diào)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(dǎo)光柵，操作波長4.7 μm，如圖13所示。
圖12 激光合束結(jié)構(gòu)示意圖
圖13 陣列波導(dǎo)光柵SEM圖
總之，經(jīng)過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(diào)諧QCL必將得到更多的研究。首先，中紅外可調(diào)諧QCL的波長將會向長波方向繼續(xù)拓展，這也將進一步促使外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及生長技術(shù)的進一步提升，室溫下操作的中紅外可調(diào)諧QCL將具有更高的可靠性，功耗也將不斷降低。隨著中紅外可調(diào)諧QCL結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，DFB、DBR等集成結(jié)構(gòu)將逐步替代外腔可調(diào)諧QCL，雖然外腔調(diào)諧技術(shù)可以顯著擴大調(diào)諧范圍，但由于光學(xué)系統(tǒng)對機械振動的敏感性不能滿足精密光學(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(diào)諧帶寬窄、調(diào)諧速率慢、功率不穩(wěn)定的問題，調(diào)諧帶寬主要依賴于增益介質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次，中紅外可調(diào)諧QCL下一步發(fā)展方向?qū)⒃谔嵘す馄髟鲆鎺挼耐瑫r重點研究光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證QCL增益介質(zhì)的全帶寬被充分利用，并且著力解決調(diào)諧過程中隨著調(diào)諧波長的變化功率不穩(wěn)定的問題。目前，大部分可調(diào)諧QCL主要依賴于熱調(diào)諧，盡管較電調(diào)諧具有更快的調(diào)諧速率和穩(wěn)定性，但仍不能滿足光通信和化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用需求，理想情況下DFB-QCL調(diào)諧1 cm?1的時間約為140 ns，而實際操作中，由于高性能的連續(xù)可調(diào)諧DFB/DBR-QCL一般具有有效的熱封裝，導(dǎo)熱性能優(yōu)越，并且電流必須在器件允許的范圍內(nèi)，導(dǎo)致實際調(diào)諧速度會降低10 倍，所以解決這一矛盾、獲得快速可調(diào)諧DFB/DBR-QCL是重要發(fā)展方向。最后，通過對新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷探索，逐步實現(xiàn)窄線寬、寬調(diào)諧范圍、快調(diào)諧速率、功率穩(wěn)定、集成化是可調(diào)諧QCL的發(fā)展方向，同時激光器的斜率效率、單縱模特性以及光束質(zhì)量將不斷得到提升。
結(jié)論
綜上所述，通過可調(diào)諧QCL的研究進展可以看出，4~8 μm波段的QCL技術(shù)比較成熟，激光器功率、線寬性能較為優(yōu)越，基于此特點，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(jié)構(gòu)以及外腔集成結(jié)構(gòu)器件等方面均有進展，并且基于外腔Littrow結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧QCL更容易獲得寬調(diào)諧范圍和窄光譜線寬，由于外腔Littrow結(jié)構(gòu)機械特性，調(diào)諧速率普遍低于DBR、DFB光柵結(jié)構(gòu)；此波段外腔集成型可調(diào)諧結(jié)構(gòu)還處于實驗探索階段，損耗、調(diào)諧等特性需要進一步優(yōu)化。8 μm以上波段QCL仍需更多的基礎(chǔ)性研究，如外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及生長技術(shù)等，以提高性能，促進應(yīng)用，此波段結(jié)構(gòu)探索更多研究集中于利用DBR、DFB光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單縱模、窄線寬特性，外腔Littrow結(jié)構(gòu)更多用于實現(xiàn)可調(diào)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)、比利時根特大學(xué)等紛紛開展對量子級聯(lián)激光器的研究，并取得很大進展。隨著應(yīng)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一步的研究和發(fā)展。
