近日，北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡稱“量子院”)在中紅外量子級聯(lián)激光器片上寬譜調(diào)諧技術(shù)上取得重大突破，為發(fā)展高集成度、低成本的波長調(diào)諧技術(shù)開辟了新路徑。2025年9月8日，相關(guān)研究成果以“On-chip wide tuning of high-power quantum cascade laser based on a vertical-integrated heater”為題在線發(fā)表在《APL Photonics》上。
 

　　量子級聯(lián)激光器(Quantum cascade laser, QCL)作為一種單極性半導(dǎo)體光源，基于電子在多量子阱導(dǎo)帶子帶間的躍遷，通過對子帶間能級的設(shè)計與剪裁，已成為中紅外至太赫茲波段主流的半導(dǎo)體光源，在氣體檢測、醫(yī)療診斷、紅外對抗及空間光通信等領(lǐng)域具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
 

　　波長可調(diào)QCL在中紅外的“分子指紋”光譜區(qū)能夠主動匹配特定分子的特征吸收譜線，從而實現(xiàn)對痕量氣體的超高靈敏度與高選擇性探測。目前，基于外腔、單片集成DFB陣列、DBR及取樣光柵等方案相繼被提出并被驗證，其中外腔方案的光學(xué)設(shè)計復(fù)雜，陣列方案依賴于單管芯的調(diào)諧范圍。對于需在脈沖條件下工作的高峰值功率QCL，采用上述單片集成方案的調(diào)諧范圍很難突破1cm-1，使得需在脈沖偏置下工作的高峰值功率QCL實現(xiàn)寬譜調(diào)諧變得困難。因此，開發(fā)一種適用于高峰值功率QCL的片上寬譜調(diào)諧方案變得尤為迫切。
 

　　基于上述現(xiàn)狀，研究團(tuán)隊提出一種基于垂直集成加熱器(VIH)的片上波長調(diào)諧中紅外QCL。通過電學(xué)與熱學(xué)建模及實驗驗證了其可行性，且無需二次外延，大幅簡化了器件制備工藝。通過對VIH進(jìn)行DC電注入并調(diào)節(jié)其電流，波長可在1123.8 cm-1至1107.7 cm-1范圍內(nèi)漂移，得到16.1 cm-1的調(diào)諧范圍。此外，通過集成三周期DFB結(jié)構(gòu)，其波長從1140.19 cm-1調(diào)諧至1095.02 cm-1，實現(xiàn)了45.2 cm-1的更寬調(diào)諧范圍。這項工作為寬譜調(diào)諧中紅外激光源的片上集成提供了新思路。同時為其在光通信、氣體檢測及光譜分析中的應(yīng)用提供了一種高效便捷的技術(shù)方案。
 

　　圖1(a)高功率片上波長調(diào)諧QCL器件示意圖。(b)VIH層直流電流從0至3.3 A變化的片上可調(diào)發(fā)射光譜；(c)SMSR值為30 dB的光譜圖；(d)調(diào)諧波長與對應(yīng)輸出功率隨VIH層直流電流變化的關(guān)系曲線；(e)不同方案下的波長調(diào)諧范圍對比圖。

 

　　圖2(a)基于VIH的三波長DFB器件原理圖；(b)工作電流在15 A時，三波長器件的發(fā)射光譜；(c)三波長VIH-QCL片上寬調(diào)諧光譜圖。

 

　　該論文第一作者為量子院與中國科學(xué)院物理所聯(lián)培博士生周斌茹和量子院工程師張世晨，通訊作者為量子院陸全勇研究員和中國科學(xué)院半導(dǎo)體所卓寧副研究員。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和北京市科委等項目的支持。