楊 超，高志強，張宇露，黃 彥，史 青，彭泳卿

中遠紅外高功率量子級聯(lián)激光技術(shù)研究進展*

楊 超，高志強，張宇露，黃 彥，史 青，彭泳卿

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

量子級聯(lián)激光器具有體積小，重量輕，波長可調(diào)諧，以及光源能夠覆蓋中遠紅外和太赫茲波段等特點，使其在痕量氣體檢測、定向紅外對抗、自由空間光通訊以及紅外成像和光譜等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。自從1994年第一個量子級聯(lián)激光器問世以來，大功率、高電光效率以及室溫下連續(xù)工作的量子級聯(lián)激光器一直是人們追求的目標(biāo)。首先介紹了量子級聯(lián)激光器的有源層設(shè)計、波導(dǎo)設(shè)計和器件散熱設(shè)計方面的研究進展；其次重點討論了4 μm～5 μm中波紅外和8 μm～12 μm長波紅外高功率室溫下連續(xù)量子級聯(lián)激光器的發(fā)展和演變、以及大功率脈沖量子級聯(lián)激光器研究情況；最后簡要介紹了大功率量子級聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)。

中遠紅外；高功率；量子級聯(lián)激光器；連續(xù)波；脈沖

引 言

3 μm～12 μm紅外波段包含了許多分子的特征吸收峰以及兩個分別在中波紅外（3 μm～5 μm）和長波紅外（8 μm～12 μm）的大氣透過窗口，因此中波和長波紅外光源在痕量氣體檢測、定向紅外對抗、自由空間光通訊，以及紅外成像和光譜等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用[1-3]。能夠提供紅外光源的激光器主要有固體激光泵浦光參量振蕩器，帶間級聯(lián)激光器以及量子級聯(lián)激光器等。作為半導(dǎo)體激光器，量子級聯(lián)激光器具有體積小、重量輕、能效高、波長可調(diào)諧等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為中遠紅外乃至太赫茲波段的重要的激光光源。量子級聯(lián)激光器的誕生歸因于能帶工程和外延制備技術(shù)上的突破，其于1994年在美國Bell實驗室首先成功研制，在10 K下可以發(fā)射微弱的4.2 μm的紅外激光[4]。量子級聯(lián)激光器是基于在耦合多量子阱或超晶格中電子共振隧穿和導(dǎo)帶中子帶間躍遷的單極性光源，其產(chǎn)生電磁輻射的根源取決于導(dǎo)帶子帶的能級位置以及電子的波函數(shù)分布。通過對超晶格或耦合量子阱的厚度和組分的調(diào)控，量子級聯(lián)激光器的激射波長能夠覆蓋中紅外到太赫茲頻段（3 μm ～300 μm）[2, 3]。

具有高輸出光功率的量子級聯(lián)激光器在遠距離有害物和爆炸物探測、遙感、紅外對抗以及遠距離自由空間通訊等領(lǐng)域有著重要的價值和意義。因此，在過去的二十多年里，高輸出功率和高電光轉(zhuǎn)換效率一直是人們努力的目標(biāo)。通過在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料外延生長技術(shù)以及器件加工技術(shù)三個方面持續(xù)地改進，更低閾值電流密度，更高輸出光功率，更高電光轉(zhuǎn)換效率，更高光束質(zhì)量，以及更高工作溫度連續(xù)輸出的量子級聯(lián)激光器被不斷研制出來。2002年，瑞士的Beck等人報道了第一個室溫連續(xù)運行的波長在9.1 μm的量子級聯(lián)激光器，其輸出功率只有10 mW[5]。在這以后，激射波長在3 μm～12 μm的瓦級輸出光功率的量子級聯(lián)激光器逐漸得以實現(xiàn)，并不斷突破更高的輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率。主要的研究機構(gòu)分布在美國、歐洲、日本和中國，包括美國西北大學(xué)，佛羅里達中部大學(xué)，美國Pranalytica公司，美國Daylight Solutions公司，瑞士Alpes Lasers公司，法國MirSense公司、日本的濱松光子學(xué)公司，以及中科院半導(dǎo)體研究所等[3,6]。在這之中，美國的西北大學(xué)自從1997年開始致力于發(fā)展量子級聯(lián)激光器以來，并逐漸達到了世界領(lǐng)先水平。2020年，美國西北大學(xué)再次刷新了自己所保持的中波和長波紅外單芯片輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄，在中波紅外4.9 μm處獲得了5.6 W的室溫連續(xù)輸出光功率和22%的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率[7]；同時，在長波紅外8.3 μm處獲得了3.4 W的室溫連續(xù)輸出光功率和13%的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率[8]。由于高性能量子級聯(lián)激光器的飛速發(fā)展，量子級聯(lián)激光器在民用和軍用領(lǐng)域已逐漸進入實用化階段并發(fā)揮出優(yōu)勢。在自由空間光通信方面，美國和瑞士的研究人員已經(jīng)利用量子級聯(lián)激光器成功開展了自由空間光通信相關(guān)的實驗研究，實現(xiàn)了遠距離紅外激光通信[9, 10]。在氣體檢測方面，利用量子級聯(lián)激光器已成功實現(xiàn)對室外環(huán)境、汽車尾氣、人體呼吸氣體的檢測，取得了高精度的檢測結(jié)果[11]。在紅外對抗方面，美國的Northrop Grumman公司和Daylight Solutions公司在美國軍方資助下，成功研制出了多波段的具有15 W～20 W輸出功率的多路合束量子級聯(lián)激光器，并已成功應(yīng)用在紅外對抗系統(tǒng)中[12]。相比之下，國內(nèi)的研究院所和企業(yè)也在不斷研發(fā)和跟進，具有瓦級輸出功率的中波紅外和長波紅外量子級聯(lián)激光器也被逐漸研發(fā)出來[12, 13]。

大功率量子級聯(lián)激光器最重要的性能參數(shù)之一是電光轉(zhuǎn)換效率，高電光轉(zhuǎn)換效率有利于獲得高輸出光功率以及更小的廢熱。要想獲得高電光轉(zhuǎn)換效率需要從三個方面考慮，包括有源區(qū)能帶和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計、有源層材料質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱管理，其中有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了量子級聯(lián)激光器能夠獲得的電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的極限，因而最為重要。電光轉(zhuǎn)換效率由四種不同的分效率組成，分別是內(nèi)量子效率、電壓效率、電氣效率和光學(xué)效率[2, 3]。對于中波紅外而言，影響電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率最關(guān)鍵的因素是內(nèi)量子效率（受上能級載流子熱逃逸影響）[6, 14, 15]。而對于長波紅外而言，影響電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率最關(guān)鍵的因素是內(nèi)量子效率、電壓效率（受電壓缺陷影響）、光學(xué)效率（受自由載流子吸收影響）[1, 15, 16]?；谏鲜隹紤]，本文重點綜述中遠紅外InP基高功率單管量子級聯(lián)激光器的研究情況。首先，介紹了量子級聯(lián)激光器的有源層設(shè)計、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件散熱設(shè)計方面的研究進展；其次，重點討論了中遠紅外高功率室溫連續(xù)和脈沖單管量子級聯(lián)激光器的發(fā)展和演變；最后，簡要介紹了大功率量子級聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)。

1 有源層設(shè)計

量子級聯(lián)激光器芯片的有源層是電子發(fā)生輻射躍遷的核心區(qū)域，它是由耦合的多量子阱或超晶格構(gòu)成。當(dāng)耦合的量子阱層和勢壘層的厚度可比于電子的德布羅意波長時，會產(chǎn)生量子尺寸限制效應(yīng)，電子在垂直于量子阱層方向上的運動將是量子化的，即產(chǎn)生了一套分離的子帶能級[17]。構(gòu)成量子級聯(lián)激光器有源層量子阱和勢壘層的材料體系有多種[18]，包括InGaAs/InAlAs/InP材料體系、GaAs/AlGaAs、Si/Ge、InAs/AlSb以及InGaAs/AlAsSb，其中InGaAs/InAlAs/InP材料體系在中波紅外和長波紅外領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢并已取得巨大成功。對于中波和長波紅外大功率量子級聯(lián)激光器而言，所采用的材料體系主要是InGaAs/InAlAs/InP。

量子級聯(lián)激光器的基本原理示意圖如圖1所示[19]。有源層中的一個級聯(lián)周期包括了“Active region”，也稱為有源區(qū)[20]、輻射區(qū)[19]、躍遷區(qū)[10]；以及“Injector region”，也稱為注入?yún)^(qū)、弛豫區(qū)[19, 20]。電子從注入勢壘共振隧穿進入有源區(qū)/輻射區(qū)的上能級，然后從上能級發(fā)生躍遷到下能級并產(chǎn)生光子，下能級的電子進而通過出口勢壘進入到弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)，然后經(jīng)過弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)勢壘的減速，再次進入下個級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的有源區(qū)/輻射區(qū)發(fā)生輻射躍遷并產(chǎn)生光子，以此類推，這種不間斷階梯式的輻射和隧穿就是量子級聯(lián)激光器發(fā)光的核心。

圖1 量子級聯(lián)激光器的基本原理示意圖[19]

圖2 量子級聯(lián)激光器有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)示意圖

圖2進一步給出了一種典型的量子級聯(lián)激光器有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，可以更好地理解有源區(qū)的原理和設(shè)計思路。首先，電子經(jīng)過步驟①，從注入勢壘隧穿到有源區(qū)上能級E3。隨即經(jīng)過步驟②，電子從上能級E3躍遷到下能級E2，并發(fā)射光子；然后，電子再經(jīng)由步驟③從下能級E2躍遷到最低能級E1，并發(fā)射光學(xué)聲子；最后，在最低能級E1上的電子通過出口勢壘進入到下一個注入?yún)^(qū)（步驟④）。

事實上，要經(jīng)過理想的步驟①～④需要對有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的能帶結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化，以實現(xiàn)對電子的限制，滿足粒子反轉(zhuǎn)的條件，提高注入效率和抽空效率，抑制熱回填等要求。

第一，注入勢壘的設(shè)計。注入勢壘的厚度由“反交叉帶隙”的設(shè)計所決定，其代表了前一個注入?yún)^(qū)的基態(tài)能級和有源區(qū)上能級E3的耦合強度[18]。反交叉帶隙會直接影響隧穿時間和注入效率，并限制激光器最大的電流密度。一方面，注入勢壘的厚度不能太薄，因為太薄的注入勢壘無法有效對熱電子進行減速從而使其發(fā)生逃逸；另一方面，注入勢壘的厚度也不能太厚，因為過厚的注入勢壘會阻礙電子的隧穿效應(yīng)，從而使其難以到達有源區(qū)的上能級。

第二，上能級電子的限制。上能級電子的限制是阻礙量子級聯(lián)激光器問世的瓶頸之一。由于上能級E3中的電子要比下能級E2中的電子具有更高的能量，所以上能級E3中的電子要比下能級E2中的電子具有更小的隧穿勢壘，這導(dǎo)致上能級E3中的電子更容易發(fā)生熱逃逸到寄生能級E4（步驟⑥）和連續(xù)能級EC（步驟⑦），或直接隧穿到下一個注入?yún)^(qū)（步驟⑤）而不是輻射躍遷到下能級E2。所以，對上能級電子的限制不僅要阻止其逃逸到其它寄生能級，還要阻止其直接隧穿到下一個注入?yún)^(qū)。對于前者，需要對有源區(qū)量子阱的厚度、組分以及數(shù)量進行設(shè)計，以增加E4和E3、以及EC和E3之間的能量間隔，從而抑制上能級電子的熱逃逸[6]。對于后者，通過在下一個弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)引入“Bragg反射鏡”的設(shè)計思路，使得與有源區(qū)上能級毗連的下一個注入?yún)^(qū)上部形成“微帶的禁帶”，從而阻止電子直接隧穿逃逸到下一個弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)[21]。

第三，輻射躍遷的條件和方式。輻射躍遷的首要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，即上能級E3的電子數(shù)目要顯著多于下能級E2的電子數(shù)，此時，需要子帶能級E3到E2的散射時間大于子帶能級E2到E1的散射時間（τ32>τ21），以及能級E3的電子壽命大于能級E2的電子壽命（τ3>τ2）[21]。子帶能級間的躍遷時間常數(shù)會受到縱向光學(xué)聲子、縱向聲學(xué)聲子、合金無序度、電子–電子散射、界面粗糙度、離化雜質(zhì)[22]等各種非輻射因素影響。

從子帶能級E3躍遷到子帶能級E2通常有兩種方式：斜躍遷和垂直躍遷。

1994年Bell實驗室研發(fā)的第一個量子級聯(lián)激光器即采用斜躍遷的模式，斜躍遷的特點是電子的輻射躍遷發(fā)生在兩個相鄰的量子阱中，也即需要穿過一個勢壘層。這個過程會減小躍遷的上能級和下能級態(tài)的波函數(shù)在實空間中的相互交疊，并伴隨著較大的動量轉(zhuǎn)移[4]。斜躍遷的設(shè)計有效地獲得了相對較長的輻射弛豫時間，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)得以實現(xiàn)[18]。然而，由于電子的斜躍遷要穿過異質(zhì)結(jié)界面，因而會受到界面粗糙度的強烈影響，從而導(dǎo)致光增益半峰寬的增加。

垂直躍遷更為常用。這種躍遷方式的特點是電子的輻射躍遷發(fā)生在同一個量子阱中，從而不需要穿過勢壘層。這個過程要求躍遷的上能級和下能級態(tài)的波函數(shù)要處在同一個量子阱中，并且要具有較大的波函數(shù)交疊[21]。由于電子的垂直輻射躍遷過程不會受到異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量的影響，因而顯著減小了光增益譜的半峰寬，同時降低了閾值電流密度[23]。光增益半峰寬尖銳或?qū)捇潭仁请娭掳l(fā)光光譜中判斷有源區(qū)電子發(fā)生斜躍遷還是垂直躍遷的重要判據(jù)。

斜躍遷和垂直躍遷各有各的特點，在大功率量子級聯(lián)激光器有源區(qū)的設(shè)計方面都有涉及。對于斜躍遷而言，其更適合長波紅外激光器領(lǐng)域。輻射躍遷的另一個重要參數(shù)是偶極躍遷矩陣元（dipole matrix elements），其決定了發(fā)射波長的單一性以及垂直還是斜躍遷[18, 24]，提供了上能級態(tài)和下能級態(tài)之間的光子躍遷強度。通過對子帶能級位置和波函數(shù)的計算，可以得到偶極躍遷矩陣元，相比于斜躍遷而言，垂直躍遷需要增強初始態(tài)和最終態(tài)之間的波函數(shù)交疊，導(dǎo)致了更大的偶極躍遷矩陣元[21]。

第四，較低能級對電子的抽運。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要求E2到E1的散射時間τ21較短，并且需要快速將電子抽運走，只有這樣才可以保證粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和不斷產(chǎn)生激射光子。通常的方法是將較低的兩個能級E2和E1的能量間隔設(shè)置為一個縱向光學(xué)聲子的能量，這會導(dǎo)致下能級E2中的電子通過縱向光學(xué)聲子散射作用而迅速躍遷到E1能級，從而促進粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[10, 21]。早期的單聲子共振設(shè)計以及經(jīng)典的雙聲子共振設(shè)計都是采用縱向光學(xué)聲子的設(shè)計理念來實現(xiàn)下能級的迅速抽空。此外，上文提到的“Bragg反射鏡”的設(shè)計會在有源區(qū)下能級毗連的下一個弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)中下部形成“微帶”，即電子的通道，這進一步促進較低的能級E2和E1上的電子迅速發(fā)生隧穿和抽空作用，從而持續(xù)保證粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并不斷激射出光子。

第五，出口勢壘和毗連弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)的設(shè)計。

有源區(qū)右側(cè)的弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)的設(shè)計同樣很關(guān)鍵，它起著多重作用[10, 17, 21]，包括：抑制左側(cè)有源區(qū)上能級E3中電子的直接隧穿，促進較低能級E2和E1上電子的抽空和輸運以及對熱電子進行弛豫減速來進入下一個有源區(qū)。此外，注入?yún)^(qū)的某些層還需要進行摻雜，這不僅可以避免空間電荷的形成，還可以作為“電子庫”來提供穩(wěn)定輸運的電子。注入?yún)^(qū)通常需要設(shè)計為梯度帶隙超晶格，從而促進微帶形成[10,13]。通過設(shè)計注入?yún)^(qū)滿足布拉格反射條件來抑制上能級E3中電子的隧穿逃逸，同時，由于注入?yún)^(qū)微帶的形成又可以促進下能級電子的抽空和輸運。注入?yún)^(qū)朝向下一個有源區(qū)方向的微帶能量的寬度應(yīng)該逐漸收窄，形成一個漏斗的形狀，這樣可以有力促進注入?yún)^(qū)基態(tài)的電子隧穿注入到下一個級聯(lián)周期有源區(qū)的上能級E3，從而大幅提高注入效率[18, 25]。注入?yún)^(qū)中微帶的漏斗設(shè)計思路是量子級聯(lián)激光器能夠?qū)崿F(xiàn)室溫下工作的關(guān)鍵設(shè)計之一[25]。微帶的漏斗設(shè)計構(gòu)型需要將有源區(qū)右側(cè)朝向下一個周期的注入?yún)^(qū)/弛豫區(qū)的量子阱厚度設(shè)計為單調(diào)減小。

勢壘厚度則是除了出口勢壘以外都單調(diào)增加[18]。出口勢壘分隔了左側(cè)的有源區(qū)和右側(cè)的弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)，對電子的輸運起著重要的作用。出口勢壘不能過厚，否則從有源區(qū)到注入?yún)^(qū)的電子傳輸時間會很慢；出口勢壘也不能過薄，否則在有源區(qū)和注入?yún)^(qū)之間的波函數(shù)會發(fā)生強烈耦合。需要精心設(shè)計在注入?yún)^(qū)出口勢壘一側(cè)的量子阱和勢壘的厚度，以提供足夠大的微帶能量寬度，從而使得有源區(qū)中低于下激射能級E2的更低能級的電子可以被有效傳輸?shù)阶⑷雲(yún)^(qū)的微帶。

第六，熱回填與電壓缺陷。受激的電子從較低的能態(tài)（有源區(qū)較低的能態(tài)或注入?yún)^(qū)的基態(tài)）往上回填到更高能態(tài)（如下能級E2）的現(xiàn)象稱之為電子的熱回填（步驟⑧）[6]。熱回填會阻礙下能級電子的抽空從而減少反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)，最終抑制電子的輻射躍遷。熱回填可以通過增加電壓缺陷的設(shè)計來抑制，電壓缺陷定義為有源區(qū)中較低的激射能級和隨后注入?yún)^(qū)中最低基態(tài)能級之間的能量間隔。但是，增加電壓缺陷會導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率分量之一的電壓效率降低。所以，需要優(yōu)化電壓缺陷來折中熱回填和電壓效率，從而獲得最優(yōu)的量子級聯(lián)激光器的性能。對于高性能的量子級聯(lián)激光器而言，電壓缺陷通常被設(shè)計在100 meV～150 meV之間[6, 18]。

有源層耦合多量子阱和超晶格子帶中的電子傳輸問題是一個復(fù)雜的數(shù)值求解問題，通常的模擬模型包括經(jīng)典的速率方程模型、半經(jīng)典的密度矩陣方法、蒙特卡洛模擬，以及基于全量子計算的非平衡格林函數(shù)方法[26]。其中速率方程模型較為簡單，計算相對準(zhǔn)確，因此被廣泛使用來開發(fā)高性能的量子級聯(lián)激光器。載流子通過每個周期的有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的傳輸可通過不同子帶能級間的散射速率來描述，而載流子從注入?yún)^(qū)基態(tài)能級注入到下一個有源區(qū)的隧穿過程則通過使用密度矩陣方法來進行計算。有源區(qū)結(jié)構(gòu)中的能量本征值和相應(yīng)的波函數(shù)，可以采用一維有效質(zhì)量近似的包絡(luò)函數(shù)方法求解薛定諤和泊松方程來獲得[27]。

迄今為止，人們已經(jīng)設(shè)計開發(fā)出眾多的有源區(qū)結(jié)構(gòu)，如：雙聲子共振（double phonon resonance）、三阱耦合單聲子共振、四阱耦合雙聲子共振、束縛–連續(xù)躍遷結(jié)構(gòu)等。表1給出了中遠紅外量子級聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計的研究進展，可以看到經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，有源區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計種類已經(jīng)多達二十幾種，主要是美國、瑞士和日本所發(fā)明設(shè)計。瑞士的發(fā)明設(shè)計來自J. Faist教授，其之前供職于美國Bell實驗室，是量子級聯(lián)激光器的發(fā)明者之一。日本的發(fā)明設(shè)計主要是濱松光子學(xué)株式會社的K. Fujita，其也曾受到過美國Bell實驗室量子級聯(lián)激光器發(fā)明者之一的F. Capasso教授的幫助。

表1 中波和長波紅外量子級聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計的研究進展

在二十多種設(shè)計中，最為經(jīng)典和成功的是雙聲子共振（double phonon resonance）設(shè)計和束縛-連續(xù)（bound-to-continuum）設(shè)計，這兩種設(shè)計成功將量子級聯(lián)激光器的工作溫度提高到室溫，為中紅外量子級聯(lián)激光器商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在2008年，美國西北大學(xué)的Y. Bai等人采用雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計，在4.6 μm的發(fā)射波長下，讓單管量子級聯(lián)激光器率先實現(xiàn)了瓦級光功率輸出，室溫下的連續(xù)輸出光功率高達1.3 W[28]。與單聲子共振相比，雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計基于四個量子阱系統(tǒng)，較低的下能級位置處擁有三個子帶能級，通過依次釋放兩個縱向光學(xué)聲子來實現(xiàn)對電子進行抽運的目的。四阱耦合雙聲子共振不僅可以獲得更高的注入效率，而且抑制了載流子的熱回填[20]。然而，在雙聲子共振設(shè)計中，三個不連續(xù)的較低子帶能級之間的能量差必須嚴(yán)格匹配到縱向光學(xué)聲子的能量，即如果兩個相鄰較低子帶能級之間的能量差與縱向光學(xué)聲子的能量相互不匹配的話，將阻礙下能級電子的抽空，這會嚴(yán)重惡化量子級聯(lián)激光器的性能。因此，雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計對有源區(qū)量子阱和勢壘的厚度要求極為嚴(yán)格，一旦厚度稍有偏差則級聯(lián)就極易發(fā)生中斷。相比于雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計，束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計結(jié)合了三阱耦合有源區(qū)設(shè)計中的上能級設(shè)計和超晶格有源區(qū)設(shè)計中的下能級微帶設(shè)計[18]。在該束縛–連續(xù)設(shè)計中，一個較薄的量子阱添加到了超晶格設(shè)計中而沒有明顯區(qū)分有源區(qū)和注入?yún)^(qū)。因此，上能級態(tài)被局域到了第一個量子阱附近，而下能級態(tài)的微帶則擴展到整個有源區(qū)和注入?yún)^(qū)。束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計不僅具有三阱耦合有源區(qū)高效共振隧穿注入的優(yōu)勢，而且還吸收了超晶格有源區(qū)高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的優(yōu)點[20]。盡管束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計可以實現(xiàn)室溫連續(xù)激射，但由于在連續(xù)帶中存在很多的能級態(tài)從而導(dǎo)致量子級聯(lián)激光光譜相對較寬，這會使具有束縛–連續(xù)設(shè)計的激光峰值增益相對較低[18]。因而，束縛–連續(xù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)不是實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器室溫大功率工作的最合適的設(shè)計構(gòu)型，但束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計結(jié)合外腔寬調(diào)諧技術(shù)可以獲得相對較寬的波長調(diào)諧能力，在波長寬調(diào)諧領(lǐng)域具有重要的技術(shù)應(yīng)用價值。

除了上述兩種經(jīng)典的有源區(qū)設(shè)計結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器單管芯片在室溫下更高的連續(xù)輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率，非共振抽取有源區(qū)設(shè)計、雙阱有源區(qū)設(shè)計、淺阱有源區(qū)設(shè)計，以及高微分增益有源區(qū)設(shè)計被美國的研究機構(gòu)開發(fā)出來，將會在下文的高功率室溫連續(xù)量子級聯(lián)激光器部分進行詳細(xì)闡述。

2 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計

量子級聯(lián)激光器增益有源區(qū)的周圍需要進行光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計來對有源區(qū)的光場進行限制，從而更好地實現(xiàn)激射。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體思路是通過對波導(dǎo)材料的折射率、厚度、摻雜濃度以及導(dǎo)熱系數(shù)的選擇和優(yōu)化，來實現(xiàn)最小的光波導(dǎo)損失、最大的光模限制因子，同時最大程度促進激光器的散熱。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的計算理論是基于電磁波在多層介質(zhì)中的傳播理論模型，即平板波導(dǎo)的波動方程。對于量子級聯(lián)激光器而言，子帶能級間躍遷的極化特性導(dǎo)致只存在橫磁模TM（Transverse Magnetic Mode)，即輻射沿著量子阱的平面進行傳播[27]，因此，在量子級聯(lián)激光器中，只考慮橫磁模的傳播。首先通過Maxwell方程推導(dǎo)出電磁波在平板介質(zhì)中的Helmholtz方程，進一步計算出有效折射率和光模分布，最后計算出光限制因子（optical confinement factor）[18, 27, 49]。光限制因子代表了有源區(qū)內(nèi)光交疊和被限制的程度，較大的光限制因子意味著輸出光功率密度較大。

量子級聯(lián)激光器需要對增益有源區(qū)三個方向進行光場限制。

激光器脊波導(dǎo)兩側(cè)的光場限制可以通過在脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的邊墻處沉積絕緣層來實現(xiàn)隔離和限制。絕緣層擁有較低的折射率，通常選擇SiO2和Si3N4材料。在3 μm～7 μm波段范圍，具有1.13～1.42折射率的SiO2具有較低的光吸收，是較好的光包覆材料[17]。對于大功率量子級聯(lián)激光器而言，為了更好地散熱，通常需要利用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）二次外延技術(shù)在脊波導(dǎo)兩側(cè)生長本征（半絕緣）高熱導(dǎo)率的半導(dǎo)體InP:Fe，這不僅可以很好地提供橫向光場限制，還可以有效提高激光器的散熱性能，并且由于半絕緣的性質(zhì)，還可以更好地提供側(cè)向電流限制。

沿脊波導(dǎo)裂解面的光場限制可以通過裂解面（前腔面和后腔面）的涂層來完成。量子級聯(lián)激光器的后腔面和前腔面通常需要分別鍍上一層高反HR（High reflection）涂層和增透AR（Antireflection）涂層，這樣可以有效限制后腔面的光模，減少光的損失，同時可以增強前腔面的透過率，從而可以減小閾值電流密度、增加輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率[17, 27]。此外，還可以采用新穎的AR（Y2O3）-AR（Y2O3）涂層組合模式，來實現(xiàn)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的進一步提升[8]。

垂直于激光器外延層的光場限制主要是通過波導(dǎo)限制層、波導(dǎo)包覆層來完成的。通常的波導(dǎo)限制層和包覆層材料是InGaAs、InAlAs以及InP，折射率分別3.5、3.2以及3.1，而有源區(qū)InGaAs/InAlAs的折射率在3.15～3.20之間，其依賴于波長和InAlAs勢壘層、InGaAs量子阱層總厚度的比例。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計的早期，人們采用“波導(dǎo)包覆層InAlAs+波導(dǎo)限制層InGaAs”的波導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)。但是，人們發(fā)現(xiàn)InP的折射率比InAlAs的要低，更適合作為波導(dǎo)包覆材料，并且InP具有更高的熱導(dǎo)率來促進有源區(qū)核的散熱，因此逐漸采用InP作為波導(dǎo)包覆層，這進一步增加了量子級聯(lián)激光器的輸出光功率和工作溫度[50, 51]。兩個波導(dǎo)限制層InGaAs中間夾著有源區(qū)核的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一種非常經(jīng)典的波導(dǎo)設(shè)計，用來實現(xiàn)最大的光場限制因子，從而減小閾值電流密度，增加輸出光功率。但是，三元組分的InGaAs材料仍然具有較低的熱導(dǎo)率5 W/(m·K)，遠遠低于InP的熱導(dǎo)率70 W/(m·K)。因此，人們進一步采用純InP基的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來大幅改善器件內(nèi)部的熱阻，同時又獲得了高達80%的光場限制因子（如圖3所示）[6, 7, 46]。所以，大多數(shù)最先進的高功率室溫連續(xù)運行的量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)常采用被低摻雜InP材料完全包覆的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[6]。上波導(dǎo)包覆層InP通常采用摻雜濃度逐漸增加的梯度濃度結(jié)構(gòu)，從而獲得較小的接觸電阻。由于子帶能級間躍遷發(fā)射的光具有TM極化特性，這種TM極化光能夠耦合到金屬–半導(dǎo)體界面之間的等離子損失模，造成波導(dǎo)損失。因此，為了抑制基礎(chǔ)波導(dǎo)模和等離子體模之間的耦合，需要調(diào)節(jié)最上部接近金屬–半導(dǎo)體界面的InP層的等離子頻率接近于輻射的光學(xué)頻率，這可通過減小該InP層的折射率來實現(xiàn)。顯著減小InP接觸層的折射率所需要的摻雜濃度處于1019～1020cm–3[52]。

圖3 一個量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)中全InP基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率輪廓和相應(yīng)的TM模密度[46]

大功率量子級聯(lián)激光器也采用錐形的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來提高輸出功率和光束質(zhì)量[14]。由于要輸出非常高的光功率密度，輸出前腔面更容易受到光學(xué)損傷；此外，不像后腔面高反膜中包含利于散熱的金屬層，前腔面的增透AR涂層具有相對較低的熱導(dǎo)率，因而導(dǎo)致熱量更不易散去。通常，采用寬脊器件可以減小輸出面的光功率密度，盡管降低了光束質(zhì)量，但卻增加了自散熱能力。所以，可以設(shè)計一個較長的腔長和較窄的脊結(jié)構(gòu)來強烈促進基模TM00，并且在輸出面設(shè)計為短的錐形結(jié)構(gòu)來增加光學(xué)損失閾值，同時在脊和錐形的側(cè)面進行二次外延生長來加工成為錐形掩埋異質(zhì)結(jié)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[14]。輸出面的錐形長度和寬度需要盡可能的小。這種錐形掩埋異質(zhì)結(jié)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可有效改善光束質(zhì)量，此外，盡管錐形波導(dǎo)設(shè)計部分減小了輸出面的光功率密度，但由于提供了有效地自散熱途徑，從而仍然可以獲得較高的室溫連續(xù)輸出功率。

在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要減小波導(dǎo)損失來獲得最大的光場限制因子。波導(dǎo)損失主要是由包覆層中的自由載流子吸收所引起，而在更長的波長以及更大的摻雜濃度下自由載流子吸收會更嚴(yán)重。自由載流子吸收與波長和摻雜濃度的變化關(guān)系如圖4所示[18]。由自由載流子吸收所引起的波導(dǎo)損失的表達式可知，波導(dǎo)損失與波長的平方成正比，與摻雜濃度呈線性關(guān)系[18, 49]。所以，在中紅外波長（<5 μm）下，自由載流子吸收問題不嚴(yán)重；但是在遠紅外波長（>8 μm）下，自由載流子所引起的波導(dǎo)損失急劇增加，從而導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率分量之一的光學(xué)效率迅速減小。為了抑制長波紅外體系下的自由載流子的吸收，需要對InP層的摻雜濃度進行優(yōu)化。通常低摻雜導(dǎo)致較低的載流子濃度，但是僅有少量載流子貢獻的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)會導(dǎo)致激光器的動力學(xué)范圍（定義為最大反轉(zhuǎn)電流密度和閾值電流密度的差值）受到限制；而較高的摻雜濃度可以增加激光器的動力學(xué)范圍，但是高波導(dǎo)損失導(dǎo)致了較低的電光轉(zhuǎn)換效率[17]。此外，還可以通過增加InP包覆層的厚度來減小自由載流子吸收所引起的光波導(dǎo)損失[53]。

3 器件散熱設(shè)計

大功率量子級聯(lián)激光器在室溫連續(xù)工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果不及時將這些廢熱從激光器內(nèi)部移除出去，那么會嚴(yán)重惡化激光器的性能和穩(wěn)定性，并最終導(dǎo)致激光器的失效。量子級聯(lián)激光器內(nèi)部有源區(qū)的熱量產(chǎn)生和散熱具有兩個關(guān)鍵特征。第一個特征是廢熱產(chǎn)生量巨大。在室溫下連續(xù)運行，由于電光轉(zhuǎn)換效率不高，因此施加在量子級聯(lián)激光器的電功率將有很大一部分轉(zhuǎn)化為廢熱。這些熱量將會在有源層內(nèi)部積累，尤其在大功率激光器有源層內(nèi)部的熱積累將會更為嚴(yán)重。有源層內(nèi)部的熱積累將會導(dǎo)致有源層核的溫度急劇增加，進而導(dǎo)致閾值電流密度增加、斜坡效率惡化，最終導(dǎo)致量子級聯(lián)激光器輸出功率降低，電光轉(zhuǎn)換效率減小[21, 54]。因此，為了減小量子級聯(lián)激光器內(nèi)部的熱量，需要對激光器器件進行散熱設(shè)計，從而最大程度移除體系內(nèi)部的熱量，維持量子級聯(lián)激光器在室溫下高功率和高穩(wěn)定性地連續(xù)輸出。第二個特征是量子級聯(lián)激光器內(nèi)部熱傳導(dǎo)或散熱的各向異性特征。在垂直于激光器有源區(qū)的生長方向，有源層是由超薄的量子阱層和勢壘層相互堆疊構(gòu)成，這些超薄層的層數(shù)可達上千層，每多一層將會增加一個界面，也即增加一個串聯(lián)熱阻。因此，使得垂直方向（外延層生長方向）熱提取的困難程度要比水平方向的熱提取至少高一個數(shù)量級[55]。所以，對于器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須要充分考慮量子級聯(lián)激光器內(nèi)部有源區(qū)的熱量產(chǎn)生和散熱的兩個關(guān)鍵特征。

針對器件的散熱設(shè)計思路，應(yīng)該從三個方面來考慮。

第一，從有源區(qū)和波導(dǎo)設(shè)計方面來改善器件散熱。大量的廢熱產(chǎn)生是由于電光轉(zhuǎn)換效率太低所致，這就需要從根本上對有源區(qū)能帶和波導(dǎo)進行優(yōu)化設(shè)計，最大程度減小電子的熱逃逸從而提高注入效率，增加上能級載流子的壽命從而促進粒子數(shù)反轉(zhuǎn)進而提高輻射躍遷效率，避免基態(tài)能級電子的熱回填從而提高抽取效率，以及減小自由載流子吸收所引起的波導(dǎo)損失從而提高光學(xué)效率等。這樣，就可以最大程度提高影響電光轉(zhuǎn)換效率的分效率（內(nèi)量子效率、電壓效率、電氣效率和光學(xué)效率），最終提高電光轉(zhuǎn)換效率，從而從根本上避免和減小激光器有源層內(nèi)部大量廢熱的產(chǎn)生。室溫下連續(xù)大功率輸出和高電光轉(zhuǎn)換效率的有源區(qū)設(shè)計包括雙阱有源區(qū)設(shè)計、淺阱有源區(qū)設(shè)計、高微分增益有源區(qū)設(shè)計以及非共振抽取有源區(qū)設(shè)計等[3, 6, 10]。

第二，從外延層結(jié)構(gòu)和材料方面來改善器件散熱。有源層所產(chǎn)生的廢熱需要從外延層材料的水平和垂直方向?qū)崃總鲗?dǎo)到熱沉和器件外部。減小有源區(qū)中的級聯(lián)周期數(shù)可以減小有源區(qū)的厚度以及相應(yīng)的界面和層數(shù)，從而有利于減小器件內(nèi)部熱阻，提高熱傳導(dǎo)效率。但需要注意的是，減小了級聯(lián)周期數(shù)可能會減小輸出功率，因此需要優(yōu)化級聯(lián)周期數(shù)來同時實現(xiàn)大功率輸出和高的熱傳導(dǎo)效率。減小每個級聯(lián)周期的厚度，可以減小有源區(qū)總厚度，縮短和熱沉的距離，因此同樣有利于熱傳導(dǎo)。此外，需要選擇高熱導(dǎo)率的波導(dǎo)材料，這有利于促進外延層中的熱傳導(dǎo)，從而減小有源層熱量的積累。比如采用完全的InP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的InGaAs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以提高激光器大約20%～30%的熱傳導(dǎo)效率[24]。因此，采用純InP基的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是國外實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器在室溫下大功率連續(xù)輸出的關(guān)鍵途徑之一[6, 7]。

第三，從量子級聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面來改善器件散熱。有源區(qū)設(shè)計決定了器件總產(chǎn)生熱量的多少；外延層結(jié)構(gòu)和材料決定了器件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效率；而激光器器件結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣重要，它決定了激光器有源層內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)到外部的能力和效率。對于室溫大功率連續(xù)運行的量子級聯(lián)激光器而言，需要對激光器器件結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，最大程度地提高器件在水平方向和垂直方向的熱提取能力。激光器器件結(jié)構(gòu)設(shè)計包括合理選擇脊波導(dǎo)寬度、高熱導(dǎo)率的基板和熱沉的選擇等[6, 14]。此外，還需要考慮恰當(dāng)?shù)姆庋b方式和特殊工藝來促進熱傳導(dǎo)，比如對上電極進行電鍍厚金層、外延層朝下倒裝焊接到基板和或熱沉上，以及利用二次外延掩埋異質(zhì)結(jié)技術(shù)等[7, 56]，從而最大程度地促進激光器內(nèi)部熱量的導(dǎo)出，減小有源層核的溫度，最終提高量子級聯(lián)激光器的性能和穩(wěn)定性。圖5給出了量子級聯(lián)激光器芯片在不同器件工藝和封裝條件下的熱模擬結(jié)果[24]?？梢钥吹骄哂醒诼癞愘|(zhì)結(jié)、外延層朝下焊接到金剛石基板上、含有電鍍金層的器件結(jié)構(gòu)（圖5（d））可以最大程度導(dǎo)出有源層和器件的熱量，從而降低了有源層和器件局部的溫度。相比于掩埋異質(zhì)結(jié)、外延層朝上封裝、無電鍍金的器件結(jié)構(gòu)（圖5（a）），具有掩埋異質(zhì)結(jié)、外延層朝下焊接到金剛石基板上、含有電鍍金層的器件結(jié)構(gòu)（圖5（d））的有源層溫度降低了30 ℃以上。激光器內(nèi)部溫度的降低將更有利于獲得室溫下大功率連續(xù)輸出和高電光效率。

圖5 量子級聯(lián)激光器芯片在不同器件工藝和封裝條件下的熱模擬：（a）掩埋異質(zhì)結(jié)、外延層朝上封裝、無電鍍金層；（b）掩埋異質(zhì)結(jié)、外延層朝上封裝、含電鍍金層；（c）掩埋異質(zhì)結(jié)、外延層朝下焊接到銅熱沉上、含電鍍金層；（d）掩埋異質(zhì)結(jié)、外延層朝下焊接到金剛石基板上、含電鍍金層[24]

4 4～5 μm中波紅外高功率室溫連續(xù)量子級聯(lián)激光器

由于4～5 μm中波紅外在自由空間光通信、化學(xué)物質(zhì)檢測以及紅外對抗領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們很早就聚焦于中波紅外高功率量子級聯(lián)激光器的研發(fā)。

表2匯總了各國的研究機構(gòu)對中波紅外量子級聯(lián)激光器在室溫環(huán)境連續(xù)操作下，達到或接近的瓦級輸出功率和相應(yīng)的電光轉(zhuǎn)換效率等數(shù)據(jù)。需要強調(diào)的是表2所總結(jié)的輸出功率都是來自于單管芯量子級聯(lián)激光器，而不涉及基于多個量子級聯(lián)激光器管芯的相干合束和非相干合束技術(shù)所獲得的合束輸出功率。從表2可以看到，中波紅外高功率室溫連續(xù)量子級聯(lián)激光器的研究進展絕大多數(shù)來自于美國。自從量子級聯(lián)激光器的創(chuàng)始人之一J. Faist教授及其團隊，在2002年于《Science》上報道了第一個室溫連續(xù)運行的具有10 mW輸出功率的量子級聯(lián)激光器以來[5]，美國的高校和企業(yè)就持續(xù)聚焦于高輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率量子級聯(lián)激光器的研發(fā)上，并始終保持著世界領(lǐng)先的地位。表2特別選擇以2007年為起始點，是因為2008年以后，中波紅外量子級聯(lián)激光器終于突破了室溫下的連續(xù)瓦級光功率輸出（1.6 W@27 ℃@CW）。在2008年到2020年這12年間，更高輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的中波紅外單管芯量子級聯(lián)激光器被不斷研發(fā)出來。由表2部分?jǐn)?shù)據(jù)，可以看到，在2011年，美國西北大學(xué)獲得了4.9 μm波長下當(dāng)時最高的室溫下連續(xù)輸出功率（5.1 W）和當(dāng)時最高的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率（21%）[57]。在2020年，美國西北大學(xué)再次刷新了自己所保持的世界紀(jì)錄，在4.9 μm波長下獲得了5.6 W的室溫下連續(xù)輸出光功率和22%的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率[7]。除了美國西北大學(xué)以外，美國哈佛大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、佛羅里達中部大學(xué)，以及Pranalytica Inc.和Adtech Optics Inc.等企業(yè)，都已在中波紅外量子級聯(lián)激光器領(lǐng)域取得了較大的成就，獲得了較高的瓦級輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率。除了美國，歐洲的瑞士Alpes Lasers公司公布的中紅外量子級聯(lián)激光器產(chǎn)品可以實現(xiàn)1.5 W@4.6 μm@RT的激光平均功率，而法國MirSense公司公布的中紅外量子級聯(lián)激光器產(chǎn)品也可以實現(xiàn)≥1 W@4.6 μm@20 ℃的激光平均功率。國內(nèi)只有中科院半導(dǎo)體所研制出了在中波紅外高功率量子級聯(lián)激光器方向可以實現(xiàn)瓦級輸出功率的技術(shù)。國際上不斷在中波紅外量子級聯(lián)激光器輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率方面有新的進展，得益于在芯片理論設(shè)計、高質(zhì)量的外延材料生長以及高散熱特性器件的加工工藝方面的突破。從表2可以明顯看出芯片有源區(qū)設(shè)計的改變，即從早期的突破瓦級輸出功率的雙聲子共振設(shè)計逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪舱癯槿≡O(shè)計、淺阱有源區(qū)設(shè)計以及雙阱有源區(qū)設(shè)計，這些新穎的有源區(qū)設(shè)計是進一步提升量子級聯(lián)激光器輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。對于中波紅外高功率量子級聯(lián)激光器而言，影響電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率最關(guān)鍵的因素是內(nèi)量子效率，其受到上能級載流子熱逃逸的影響[6, 14, 15]，因此，上面這些新穎的有源區(qū)設(shè)計都較好地解決了上能級載流子熱逃逸這個問題。

表2 中波紅外（4 μm～5 μm）單管芯量子級聯(lián)激光器的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的研究進展

注：本表也匯總了激射波長為5.6 μm的一組數(shù)據(jù)。

下面重點介紹中波紅外高功率量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)設(shè)計，包括非共振抽取設(shè)計、淺阱有源區(qū)設(shè)計以及雙阱有源區(qū)設(shè)計。

非共振抽?。╪onresonant extraction）設(shè)計源自于美國Pranalytica Inc.、哈佛大學(xué)以及加利福尼亞大學(xué)聯(lián)合團隊[6, 40]，其關(guān)鍵設(shè)計是擯棄了傳統(tǒng)的雙聲子共振設(shè)計中的兩個聲子共振條件，而通過在下能級下方設(shè)計幾個平行的能級來維持較低的下能級壽命，因此，非共振抽取下能級的壽命對于有源層厚度的改變不太敏感。換句話說，這是一個“高容錯”的有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，由于擯棄了兩個聲子的共振條件，所以有利于控制高于上能級E4的寄生能級，從而增加E54能量間隔，最終可以有效減小載流子的熱逃逸，提高注入效率和內(nèi)量子效率，最終實現(xiàn)室溫下連續(xù)大功率輸出和高電光轉(zhuǎn)換效率。圖6給出了非共振抽取設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖。非共振抽取設(shè)計基于兩種高應(yīng)力的材料，即量子阱In0.67Ga0.33As和勢壘In0.36Al0.64As，其中有源區(qū)包括了五個量子阱的結(jié)構(gòu)。這將會有兩個有益的效果：第一，五個量子阱有源區(qū)將產(chǎn)生額外的有源區(qū)能級E1’，其緊挨著能級E1，這滿足了不顯著增加較低能級載流子壽命的條件。第二，下激射能級E3和最低能級E1’的能級間隔E31’可以增加到100 meV，這進一步抑制了下能級E3的熱回填效應(yīng)。能級E1和E1’與能級E2將會有較大的交疊，由于從能級E2可以躍遷到兩個平行的最低能級E1和E1’，計算的下能級電子壽命2僅僅有0.34 ps，接近于雙聲子共振設(shè)計所計算的數(shù)值。此外，由于2對有源層厚度的變化不敏感，所以，除了可以增加E31’外，還可以通過改變有源層各層的厚度來增加能量間隔E54到63 meV，與此同時維持最大的激射躍遷矩陣元z43和較大的上能級壽命。為了進一步提高室溫下的連續(xù)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率，可以對非共振抽取有源區(qū)設(shè)計進行改進。在維持上能級壽命、下能級壽命、電壓缺陷以及激射躍遷矩陣元不變的情況下，通過采用更高應(yīng)力組分的量子阱InGaAs層和勢壘InAlAs層，可以進一步增加上能級與寄生能級、連續(xù)能級的能量間隔，從而進一步減小上能級載流子的熱逃逸，提高注入效率和內(nèi)量子效率，最終獲得更高連續(xù)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的量子級聯(lián)激光器。

圖6 非共振抽取設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖（其中E4是上激射能級，E5是寄生能級，EC是連續(xù)能級，E3是下激射能級，E2是較低能級，E1和E1’是最低能級。右上方插圖是經(jīng)典的雙聲子共振能級結(jié)構(gòu)設(shè)計[40]）

淺阱（shallow-well）有源區(qū)設(shè)計源自美國西北大學(xué)[3, 43]，其關(guān)鍵設(shè)計是在一個級聯(lián)周期（有源區(qū)和注入?yún)^(qū)）內(nèi)包含了五種不同的材料，分別是用于應(yīng)力平衡/補償?shù)牧孔于錓n0.69Ga0.31As和勢壘In0.36Al0.64As、AlAs插入層以及晶格匹配的In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As層。淺阱有源區(qū)設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)如圖7所示。通過在有源區(qū)和注入?yún)^(qū)中加入五種不同的材料層，并優(yōu)化它們的位置、厚度以及摻雜濃度等參數(shù)，可以有效減小上能級載流子的熱逃逸，提高注入效率和內(nèi)量子效率，減小基態(tài)載流子的熱回填，最終實現(xiàn)量子級聯(lián)激光器室溫連續(xù)大功率輸出和高電光轉(zhuǎn)換效率。

第一，量子級聯(lián)激光器為了實現(xiàn)中波紅外激射，有源區(qū)結(jié)構(gòu)必須采用具有大應(yīng)力平衡的量子阱In0.69Ga0.31As層和勢壘In0.36Al0.64As層，這樣才可以提高激射能級差，從而激射出中波紅外；同時，大的應(yīng)力平衡可以增加E34和E3C的能級間隔（見圖7），從而減小了上激射能級載流子的熱逃逸，提高注入效率。第二，注入?yún)^(qū)中AlAs插入層的作用可以最大程度減小載流子泄漏到連續(xù)能級。相比于沒有AlAs插入層的有源區(qū)設(shè)計，如雙聲子共振和連續(xù)–束縛有源區(qū)設(shè)計，在插入AlAs層后，有源區(qū)波函數(shù)受到了更強的限制，它們耦合到連續(xù)態(tài)的程度也被減小了，同時E34和E3C的能級間隔也會增加，從而進一步減小了上能級載流子的熱逃逸，提高了注入效率。第三，淺阱有源區(qū)設(shè)計的顯著特征是包含了一對淺阱層和矮勢壘層，也即晶格匹配的In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As層。有源區(qū)中晶格匹配材料的作用是通過增加上能級E3和寄生能級E4之間的能量間隔，從而最大程度降低上能級載流子熱逃逸到其它寄生能級。相比于傳統(tǒng)三阱單聲子共振有源區(qū)的設(shè)計，含有晶格匹配材料淺阱有源區(qū)設(shè)計的E43數(shù)值從之前的80 meV增加到了100 meV。如果相比于傳統(tǒng)E43僅有46 meV的四阱雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計，淺阱有源區(qū)設(shè)計增加的E43數(shù)值更為明顯。因為導(dǎo)致較低特征溫度的載流子泄漏主要是從上能級E3到能級E4的縱向光學(xué)聲子散射所引起，因此，通過玻爾茲曼分布計算可以證實，相比于僅有60 meV的E43的深阱有源區(qū)設(shè)計，淺阱有源區(qū)設(shè)計在室溫下的載流子泄漏電流降為原來的1/5。盡管淺阱有源區(qū)設(shè)計中能級E4和E5的差值E54（70 meV）略低于深阱有源區(qū)設(shè)計E54數(shù)值（83 meV），但是E43之間的能量間隔要比E54在減小載流子泄漏方面更為有效和顯著。淺阱有源區(qū)設(shè)計中上能級載流子熱逃逸的強烈抑制以及注入效率的大幅提高，最終獲得了現(xiàn)今最大的室溫下連續(xù)輸出功率和最高的電光轉(zhuǎn)換效率。

圖7 淺阱有源區(qū)設(shè)計的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖，包含了量子阱In0.69Ga0.31As和勢壘In0.36Al0.64As，并具有AlAs插入層和晶格匹配的In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As[43]

雙阱（two quantum wells）有源區(qū)設(shè)計源自美國佛羅里達中部大學(xué)[6, 47]，此種結(jié)構(gòu)的激光器激射波長大于5 μm，其關(guān)鍵設(shè)計是基于兩個量子阱的有源區(qū)設(shè)計，并減小了同一級聯(lián)周期有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的耦合。圖8給出了雙阱有源區(qū)設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖，其中包含的兩種材料組分是具有應(yīng)力補償?shù)腎n0.69Ga0.31As和In0.22Al0.78As。

首先，通過調(diào)節(jié)注入勢壘的寬度來設(shè)計注入?yún)^(qū)基態(tài)能級g和上激射能級E4的耦合能量距離（約為9 meV），這樣有助于提高注入到上能級的效率；其次，雙阱有源區(qū)設(shè)計移除了有源區(qū)臨近注入勢壘的第一對較薄的量子阱層和勢壘層，這有助于增加上激射能級E4和寄生能級E5之間的能量間隔E54。第一對較薄的量子阱和勢壘層常被引入到長波紅外量子級聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計中，用來抑制上個注入?yún)^(qū)的基態(tài)g直接注入到下激射能級E3。事實上，在中、短波紅外體系下，由于本身能量間距Eg3就較大，因此在中波紅外體系下就不需要第一對較薄的量子阱和勢壘層；最后，通過增加出口勢壘的厚度來減小同一級聯(lián)周期有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的耦合，這樣可以進一步增加上激射能級E4和E5等具有較高能量寄生能級之間的空間距離。如圖8所示，寄生能級E5已經(jīng)被推到了下個毗連周期的注入?yún)^(qū)，從而減小了能級E4和E5之間的交疊，能量間距E54增加到了約90 meV，而能級E5上的載流子的平均位置和能級E4上的載流子的平均位置之間的距離d54也增加到了10 nm。與此同時，所有的注入態(tài)被推到了下激射能級E3以下，這增加了E3能級下部的態(tài)密度，從而抑制了載流子的熱回填。因此，較大的能量間距E54和空間間距d54等參數(shù)可以通過兩個量子阱的有源區(qū)設(shè)計來同時獲得，其中上激射能級和下激射能級被局域在了相同的兩個較寬的量子阱中。雙阱有源區(qū)設(shè)計中較大的能量間距E54和空間間距d54使得量子級聯(lián)激光器獲得了28.3%的室溫脈沖電光轉(zhuǎn)換效率以及4.9 W/A的斜坡效率。

圖8 雙阱有源區(qū)設(shè)計的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖，包含的兩種材料組分是In0.69Ga0.31As和In0.22Al0.78As。其中E4是上激射能級，E5是寄生能級，E3是下激射能級，Eg是基態(tài)能級[6, 47]

5 8 μm～12 μm長波紅外高功率室溫連續(xù)量子級聯(lián)激光器

8 μm～12 μm長波紅外處在第二個大氣透過窗口，在氣體檢測和自由空間光通信等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。因此，長波紅外高功率量子級聯(lián)激光器也是人們研究的重要方向。然而，相比于中波紅外高功率量子級聯(lián)激光器，長波紅外高功率量子級聯(lián)激光器的研究較為落后，這可能是由于較小的資金資助和市場原因，也有可能是因為長波紅外高功率量子級聯(lián)激光器的技術(shù)受到更大的挑戰(zhàn)[62]。對于長波紅外高功率量子級聯(lián)激光器而言，影響電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率最關(guān)鍵的因素是內(nèi)量子效率（受到上能級載流子熱逃逸影響）、電壓效率（受電壓缺陷影響）、光學(xué)效率（受自由載流子吸收影響）[1, 15, 16]。因此，長波紅外高功率量子級聯(lián)激光器在“電、光、熱”三大方面的技術(shù)都要比中波紅外高功率量子級聯(lián)激光器的更難實現(xiàn)。所以，相比于具有室溫下5.6 W連續(xù)輸出功率和22%的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率的中波紅外大功率量子級聯(lián)激光器，長波紅外大功率量子級聯(lián)激光器的室溫下最高連續(xù)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率數(shù)值均低于中波大功率量子級聯(lián)激光器相應(yīng)的數(shù)值。

表3匯總了世界上各國的長波紅外單管芯量子級聯(lián)激光器在室溫連續(xù)波操作下，達到（或?qū)⒔┑耐呒壿敵龉β屎拖鄳?yīng)電光轉(zhuǎn)換效率的相關(guān)數(shù)據(jù)。從表3可以看到，長波紅外室溫連續(xù)高功率量子級聯(lián)激光器的研究進展絕大多數(shù)來自于美國。在2002年，J. Faist教授及其團隊在Science上報道了第一個室溫下連續(xù)運行的具有10 mW輸出功率的量子級聯(lián)激光器，其輸出波長為9.1 μm，是基于InP晶格匹配體系的雙聲子共振有源區(qū)結(jié)構(gòu)[5]。此后，在長波紅外高功率量子級聯(lián)激光器的研發(fā)上，美國也一直處于領(lǐng)先。2009年到2020年之間，長波（7 μm ～12 μm）單管芯量子級聯(lián)激光器在室溫連續(xù)波操作下的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑?jīng)過最近十年的努力，長波紅外單管芯量子級聯(lián)激光器室溫下連續(xù)波輸出功率，從最初的百毫瓦量級增長到2020年美國西北大學(xué)的3.4 W，連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率，從2009年的2.5%提升到2020年西北大學(xué)的13%。除此以外，美國哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院，以及企業(yè)如Pranalytica Inc.、Adtech Optics Inc.、Corning Inc.、Daylight Solutions Inc.等都已經(jīng)在長波紅外量子級聯(lián)激光器領(lǐng)域取得了較大的成就，獲得了較高的瓦級輸出功率和連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率。此外，歐洲和日本也在長波紅外高功率量子級聯(lián)半導(dǎo)體激光器上有所建樹。在2010年，歐洲的瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院J. Faist教授團隊在8.5 μm波長處實現(xiàn)了0.45 W的室溫下連續(xù)輸出光功率[41]。在2017年，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)在8 μm波長處實現(xiàn)了1 W的室溫下連續(xù)輸出光功率和7%的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率[63]。在2010年，日本的濱松光子學(xué)株式會社在30℃下獲得了0.313 W的連續(xù)輸出光功率和2.74%的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率，激射波長為8.6 μm[64]。相比之下，國內(nèi)尚未見到8 μm～12 μm長波紅外量子級聯(lián)激光器實現(xiàn)瓦級輸出功率的報道。而在7 μm～8 μm波段處，國內(nèi)也僅有中科院半導(dǎo)體所在2020年12月報道的波長7.7 μm、室溫連續(xù)輸出功率為1.17 W的量子級聯(lián)激光器[53]，所采用的有源區(qū)設(shè)計是基于瑞士J.Fasit團隊在2001年發(fā)明的束縛–連續(xù)躍遷有源區(qū)設(shè)計。國際上在長波紅外量子級聯(lián)激光器功率和電光轉(zhuǎn)換效率的突破同樣可以歸功于芯片的理論設(shè)計、高質(zhì)量的材料外延生長以及高散熱特性的器件加工工藝等方面的進展。事實上，從表3可以清晰地看到芯片有源區(qū)設(shè)計的改變，即從早期的突破瓦級功率的改進的雙聲子共振設(shè)計逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪舱癯槿≡O(shè)計和高微分增益有源區(qū)設(shè)計，這些新穎的有源區(qū)設(shè)計是進一步提升輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。還應(yīng)該注意到一個轉(zhuǎn)變，即從傳統(tǒng)長波紅外所選擇的晶格匹配體系轉(zhuǎn)變?yōu)殚L波紅外的應(yīng)力補償體系，這也是實現(xiàn)大功率長波紅外量子級聯(lián)激光器的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變之一。上面這些新穎的有源區(qū)設(shè)計和關(guān)鍵轉(zhuǎn)變都很好地解決了上文所提到的實現(xiàn)長波紅外大功率量子級聯(lián)激光器所面臨的瓶頸和難點。

表3 長波紅外（8 μm～12 μm）單管芯量子級聯(lián)激光器的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的研究進展

注：本表也匯總了激射波長在7 μm～8 μm的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

下面重點介紹長波紅外高功率量子級聯(lián)激光器的有源區(qū)設(shè)計，包括非共振抽取設(shè)計和高微分增益有源區(qū)設(shè)計。

非共振抽?。╪onresonant extraction）設(shè)計也可以用在長波紅外量子級聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計上來提高室溫連續(xù)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率[62, 65]。長波紅外體系下的非共振抽取有源區(qū)設(shè)計原理類似于中波紅外體系非共振抽取有源區(qū)設(shè)計，其擯棄了傳統(tǒng)的雙聲子共振設(shè)計中的兩個聲子共振條件，且在下能級下方設(shè)計幾個平行的能級來維持較低的下能級的壽命，其最大的創(chuàng)新是采用了應(yīng)力平衡/補償?shù)牟牧辖M分。傳統(tǒng)上，晶格匹配的InGaAs/InAlAs組分擁有相對較小的帶邊補償520 meV，這對具有較小的激射能級差并且不需要太大輸出功率的長波體系是足夠的，這是因為長波體系下的上能級和高于勢壘的連續(xù)能級態(tài)之間的距離比較大。然而，對于室溫下連續(xù)大功率輸出的量子級聯(lián)激光器而言，有源區(qū)核的溫度相對較高，因此上能級中的電子的能量比較高，如果仍采用傳統(tǒng)的晶格匹配體系的材料組分，那么上能級自由載流子的熱逃逸問題就會比較嚴(yán)重。所以，在長波紅外大功率室溫連續(xù)量子級聯(lián)激光器領(lǐng)域采用具有較高應(yīng)力組分的應(yīng)力平衡體系是一個關(guān)鍵的思路和轉(zhuǎn)變[65]，也是表3所總結(jié)的已研制出大功率長波紅外量子級聯(lián)激光器的不同研究機構(gòu)的共同特征。圖9給出了長波紅外量子級聯(lián)激光器非共振抽取有源區(qū)設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖，類似于相應(yīng)的中波紅外體系，采用了較大應(yīng)力的In0.58Ga0.42As和In0.36Al0.64As材料組分。輻射躍遷發(fā)生在上能級激射E4和下激射能級E3之間。能量間隔E54被設(shè)計為60 meV，而上激射能級和勢壘頂部的能量間隔由晶格匹配體系下的250 meV增加到了應(yīng)力平衡體系下的430 meV。顯然，增加的能量間隔有助于在長波紅外量子級聯(lián)激光器中獲得更大的室溫下連續(xù)輸出功率以及電光轉(zhuǎn)換效率。此外，長波紅外體系下的波導(dǎo)損失以及激光器散熱問題要比中波紅外體系下的更為嚴(yán)重，具體解決方法在前文都已經(jīng)論述過。

圖9 非共振抽取設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖。其中E4是上激射能級，E5是寄生能級，EC是連續(xù)能級，E3是下激射能級，E2是較低能級，E1和E1’是最低能級[65]

高微分增益（High-differential-gain）有源區(qū)設(shè)計源自美國西北大學(xué)[1, 8]，其關(guān)鍵設(shè)計是結(jié)合了應(yīng)力平衡技術(shù)、較低的電壓缺陷以及斜躍遷的設(shè)計思路。圖10給出了高微分增益有源區(qū)設(shè)計的導(dǎo)帶和波函數(shù)圖，其中量子阱材料是In0.59Ga0.41As和勢壘材料In0.36Al0.64As，電子從上激射能級E2斜躍遷到下激射能級E1并發(fā)射出光子。通過采用應(yīng)力平衡技術(shù)可以增加帶邊補償，從而減小上能級載流子的熱逃逸，最終提高了注入效率和內(nèi)量子效率。在電壓缺陷設(shè)計方面，考慮應(yīng)用在長波紅外領(lǐng)域，電壓缺陷Δinj（Δinj=E1–Eg）通常設(shè)計為120 meV，這可以有效抑制載流子熱回填到有源區(qū)中較低的能級。但是，為了有效增加微分增益和量子效率，需要選擇一個較小的電壓缺陷Δinj數(shù)值，同時不會顯著引起載流子的熱回填效應(yīng)。因此Δinj數(shù)值被設(shè)計為90 meV，這可以顯著增加電壓效率，從而增加電光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。此外，高微分增益有源區(qū)設(shè)計的另一個特征是斜躍遷設(shè)計，這意味著上激射能級E2和下激射能級E1之間的波函數(shù)交疊減小了。減小的波函數(shù)交疊能夠有效增加電子在上激射能級的壽命（從0.5 ps到0.75 ps），從而增加了微分增益和內(nèi)量子效率。應(yīng)力平衡、較低的電壓缺陷以及斜躍遷設(shè)計這三者的結(jié)合有助于得到較高的注入效率、內(nèi)量子效率以及電壓效率，最終在長波紅外量子級聯(lián)激光器領(lǐng)域獲得了迄今最高的室溫下連續(xù)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率。

圖10 高微分增益有源區(qū)設(shè)計的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖。采用應(yīng)力平衡的In0.59Ga0.41As/In0.36Al0.64As材料組分，電子從上激射能級E2斜躍遷到下激射能級E1[1]

6 大功率脈沖量子級聯(lián)激光器

除了大功率室溫下連續(xù)輸出的量子級聯(lián)激光器，具有瞬時超大功率的脈沖量子級聯(lián)激光器在紅外對抗、激光通信、生物醫(yī)療等領(lǐng)域也有應(yīng)用。由于高的輸入功率密度，室溫連續(xù)模式下大功率輸出通常只在窄脊波導(dǎo)的器件中得以實現(xiàn)，并且單管窄脊量子級聯(lián)激光器的輸出功率不太可能超過10 W[3, 6]。相比之下，室溫脈沖模式下的大功率輸出往往采用寬脊（broad area）技術(shù)，即量子級聯(lián)激光器的脈沖峰值功率隨著脊寬的增加而增加，因此，可以通過增加脊波導(dǎo)寬度，來增加激光增益的體積，從而獲得超高脈沖峰值功率[3, 67]。

圖11給出了在室溫下脈沖模式下，具有不同脊波導(dǎo)寬度的量子級聯(lián)激光器脈沖輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率隨電流的變化?？梢钥吹?，脈沖峰值功率隨著脊寬的增加而呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，當(dāng)脊寬增加到400 μm時候，激光總脈沖峰值輸出功率接近120 W[67]。但需要注意的是，隨著脊波導(dǎo)寬度的增加，電光轉(zhuǎn)換效率卻逐漸減小，從50 μm脊寬時候的16%下降到200 μm脊寬時候的12%[3, 67]，并保持在一定數(shù)值，這是由于激光器內(nèi)部嚴(yán)重的熱積累所導(dǎo)致。

事實上，寬脊激光器的熱積累要比窄脊的更為嚴(yán)重，這是因為隨著脊寬的增加，有源層的橫向散熱路徑就更長，使得有源層核的熱量更散不出去，導(dǎo)致熱積累更為嚴(yán)重；當(dāng)脊寬接近襯底厚度的時候有源層的熱量也達到飽和。有源層熱量的增加引起有源層溫度的增加，最終導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率降低。所以，為了減小器件有源層內(nèi)部的熱量需要采用先進的復(fù)合散熱設(shè)計，包括減小級聯(lián)周期數(shù)，采用二次外延生長掩埋脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、外延層倒裝技術(shù)等。Zhao等人[68]也研制出400 μm寬脊的大功率脈沖量子級聯(lián)激光器，在波長4.7 μm和室溫下可實現(xiàn)62 W的總脈沖峰值功率，通過研究峰值輸出功率對溫度的依賴性，發(fā)現(xiàn)在373 K下脈沖量子級聯(lián)激光器仍可實現(xiàn)20 W的峰值輸出功率。除了增加脊寬，還可以通過增加有源層級聯(lián)周期數(shù)以及器件腔長來實現(xiàn)高脈沖輸出功率。有源層級聯(lián)周期數(shù)的增加導(dǎo)致垂直外延生長方向的界面更多，使得激光器更難以散熱；而器件腔長的增加可以增加增益體積，并且腔長的增加并不增加垂直方向和橫向的散熱路徑，因而幾乎不影響器件散熱。所以，通常在增加脊波導(dǎo)寬度以及腔長的同時減小級聯(lián)周期數(shù)，以來實現(xiàn)脈沖模式下量子級聯(lián)激光器的功率放大[69]。這是因為脊寬和腔長的增加有效增加了激光器的增益體積，但是，通過減小級聯(lián)周期數(shù)，即減小有源層的厚度，可以顯著減小激光器內(nèi)部的自產(chǎn)熱，從而確保了量子級聯(lián)激光器的大功率脈沖輸出[6]。此外，還可以減小脈沖占空比來實現(xiàn)脈沖模式下的大功率輸出。Heydari等人在283 K下采用了0.02%的占空比，在具有特定角度腔長（300 μm脊寬和5.8 mm腔長）的量子級聯(lián)激光器中實現(xiàn)了203 W的脈沖峰值功率[70]。盡管脊寬和腔長的增加可以實現(xiàn)脈沖大功率輸出，但是脊寬和腔長的增加也是有上限的，因為前者的增加會導(dǎo)致激光器的譜線和光束性質(zhì)惡化[3, 67]，而后者的增加會讓器件有更大的長徑比從而造成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)加工更為困難[6]。寬脊大面積量子級聯(lián)激光器的遠場和光譜性質(zhì)可以通過光子晶體分布反饋（PCDFB）機制來改善[3, 67]。單模輸出和好的光束質(zhì)量依賴于給定脊寬和腔長下優(yōu)化的橫向和縱向耦合系數(shù)的選擇。

7 大功率量子級聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)

量子級聯(lián)激光器芯片的質(zhì)量好壞最終決定著激光器的輸出性能和可靠性，其有賴于外延生長技術(shù)和器件加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是前者更為重要。量子級聯(lián)激光器的芯片外延層包括了緩沖層、有源層以及波導(dǎo)附屬層等。對于中波和長波紅外大功率量子級聯(lián)激光器而言，所采用的材料體系主要是InGaAs/InAlAs/InP，即襯底InP層、有源層InGaAs/InAlAs超晶格以及波導(dǎo)附屬層InGaAs和/或InP。外延層的生長主要是生長有源層InGaAs/InAlAs超晶格以及波導(dǎo)附屬層InGaAs和/或InP。由于量子級聯(lián)激光器有源層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（上千層材料、組分變化、厚度變化、界面陡峭等），因此在量子級聯(lián)激光器發(fā)明最初的10年中，分子束外延（MBE）是唯一有效生長量子級聯(lián)激光器有源層結(jié)構(gòu)的方法，這是因為MBE設(shè)備是生長超薄多量子阱和超晶格復(fù)雜結(jié)構(gòu)最有利的技術(shù)手段[71]。MBE設(shè)備可分為固態(tài)源分子束外延（SSMBE）和氣態(tài)源分子束外延（GSMBE）。傳統(tǒng)上，通常采用SSMBE進行外延生長。但是，采用固態(tài)源MBE外延生長的時候，砷和磷的束流較難控制，特別是固態(tài)磷，其具有白磷和紅磷兩種異構(gòu)體，且各自的蒸汽壓也相差較大[21, 25]，造成固態(tài)源MBE生長磷化合物較為困難。針對磷束流較難控制問題，MBE廠商研制出了高效磷裂解爐，較好地解決了上述問題[24]。此外，人們還發(fā)展了GSMBE技術(shù)來解決含磷的化合物難以生長的問題[21, 25]。利用氣態(tài)源MBE外延生長的時候，通過采用AsH3和PH3分別代替以前的固態(tài)砷和固態(tài)磷，可以很好地控制砷和磷的束流，從而生長出符合要求的具有不同砷、磷組分的高質(zhì)量外延材料。但是，AsH3和PH3具有易燃性以及高毒性，因此需要大量的設(shè)施來確保安全和不污染環(huán)境。隨著設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，國際上也成功采用MOCVD技術(shù)和金屬有機氣相外延（MOVPE）技術(shù)實現(xiàn)了量子級聯(lián)激光器芯片的外延生長[71, 72]。相比于昂貴且外延生長速率較慢的MBE設(shè)備，MOCVD和MOVPE的腔室可以放大進行多個晶圓的外延生長，因而更適合大規(guī)模生產(chǎn)來滿足商業(yè)化應(yīng)用。此外，由于MOCVD和MOVPE的外延生長速率范圍較寬，因而可以顯著減小生長時間；同時由于包含所有的源材料且生長磷化物較為容易，因此MOCVD和MOVPE可以通過一步生長來完成所有的量子級聯(lián)外延層結(jié)構(gòu)，從而避免了晶圓轉(zhuǎn)移所造成的污染并大幅提高了工作效率。

目前，利用MBE、MOCVD和MOVPE的一種或多種設(shè)備均可實現(xiàn)大功率量子級聯(lián)激光器芯片的外延生長。

第一，僅利用MBE設(shè)備[15, 40]。美國加利福尼亞大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究團隊僅利用MBE設(shè)備生長了有源層和波導(dǎo)等外延結(jié)構(gòu)，單管量子級聯(lián)激光器的輸出功率可實現(xiàn)瓦量級（3 W@20 ℃@CW@連續(xù)12.7%），激射波長4.6 μm[40]。事實上，只要不超過分子束外延生長的極限厚度，SSMBE和GSMBE均可以一步生長整個外延層結(jié)構(gòu)，但因分子束外延生長速率極慢導(dǎo)致整個外延層的生長極為耗時且費用極為昂貴。

第二，僅利用MOCVD或MOVPE設(shè)備[54, 62, 64]。仍是美國加利福尼亞大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究團隊，他們利用低壓MOCVD技術(shù)生長了量子級聯(lián)外延層，同樣獲得了瓦級輸出功率（1.6 W@27 ℃@CW@連續(xù)8.8%），激射波長4.6 μm[54]。日本濱松光子學(xué)公司的Fujita等人通過MOVPE技術(shù)生長了量子級聯(lián)激光器的外延層結(jié)構(gòu)，在長波紅外8.6 μm處獲得了0.313 W的室溫連續(xù)輸出光功率[64]。獲得瓦量級輸出功率的MOCVD或MOVPE外延生長技術(shù)為大規(guī)模中紅外量子級聯(lián)激光器的制造奠定了堅實的基礎(chǔ)。

第三，結(jié)合MBE和MOCVD或MOVPE兩種外延設(shè)備[1, 3, 7, 8, 18, 26, 53]。盡管單獨地MOCVD或MOVPE可以實現(xiàn)瓦量級輸出功率的量子級聯(lián)激光器，但是MOCVD或MOVPE在制備有源層時往往會發(fā)生組分梯度和界面展寬，從而最終影響量子級聯(lián)激光器的輸出性能和穩(wěn)定性[73, 74]。所以，為了獲得更高的性能和穩(wěn)定性，復(fù)雜的有源層更傾向于采用MBE來精確生長，而較厚的波導(dǎo)層則采用MOCVD或MOVPE來生長。美國西北大學(xué)采用GSMBE來生長有源層級聯(lián)超晶格，而通過MOCVD來生長InP包覆層和接觸層，基于先進的有源區(qū)、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及散熱設(shè)計，最終實現(xiàn)了單管量子級聯(lián)激光器輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄[1, 3, 7, 8]。此外，日本、瑞士以及國內(nèi)的中科院半導(dǎo)體所也采用MBE和MOCVD的組合方式來生長高質(zhì)量的外延層，獲得了較高的輸出功率[18, 26, 53]。不管采用哪種方式來生長量子級聯(lián)激光器芯片外延層，都需要精確控制生長工藝參數(shù)如生長溫度、生長速率、束流強度、氣體流量、V族/Ⅲ族元素比等，只有這樣才可能生長出所希望的合金組分、薄層應(yīng)力、層厚度、摻雜濃度以及界面粗糙度的量子級聯(lián)激光器有源層超晶格。

8 結(jié)束語

針對中遠紅外InP基高功率單管量子級聯(lián)激光器日新月異的發(fā)展，本文首先梳理了量子級聯(lián)激光器在有源層設(shè)計、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件散熱設(shè)計方面的研究發(fā)展和設(shè)計思路；然后重點討論了4 μm～5 μm中波紅外和8 μm～12 μm長波紅外高功率室溫下連續(xù)單管量子級聯(lián)激光器的發(fā)展和演變，以及大功率脈沖量子級聯(lián)激光器的研究情況；最后，簡要對比和分析了大功率量子級聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)。經(jīng)過26年的發(fā)展，InP基中紅外量子級聯(lián)激光器，從最初的只能在低溫下工作，發(fā)展到現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)室溫下大功率連續(xù)輸出，這歸功于在理論設(shè)計、外延材料、器件工藝三大關(guān)鍵方面的發(fā)展和突破。能夠?qū)崿F(xiàn)瓦量級輸出功率的量子級聯(lián)激光器芯片的MOCVD和MOVPE關(guān)鍵外延技術(shù)的發(fā)展，為量子級聯(lián)激光器芯片的大規(guī)模制造鋪平了道路。大功率中波和長波紅外量子級聯(lián)激光器的實現(xiàn)有力地促進了遙感、紅外對抗，以及遠距離自由空間通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。結(jié)合量子級聯(lián)激光器小型化、低功耗、單模以及寬調(diào)諧等眾多優(yōu)異特點，相信在不遠的將來，量子級聯(lián)激光器一定能夠在中遠紅外領(lǐng)域大展身手。

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Recent progress of mid-and-far infrared high power quantum cascade laser technology

YANG Chao, GAO Zhiqiang, ZHANG Yulu, HUANG Yan, SHI Qing, PENG Yongqing

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Quantum Cascade Laser (QCL) owns the characteristics of small volume, light weight, tuned wavelength, and the emission light can cover from infrared to terahertz, which makes it have the widespread applications in the trace gas sensing, directed infrared countermeasures, free space optical communications, as well as infrared imaging and spectroscopy fields. Since the first invented QCL in 1994, high power, high wall plug efficiency, and continuous-wave QCL at room temperature has always been the goal of people’s research. Firstly, this review introduces the recent progress in the designs of active region, waveguide, and heat dissipation. Secondly, the development and evolution of mid-wave infrared (4 μm～5 μm) and long-wave infrared (8 μm ～12 μm) high power room temperature continuous-wave QCL, and high power pulsed QCL are mainly discussed. Finally, the epitaxy technology of high power QCL chip is briefly introduced.

Mid-and-far infrared; High power; Quantum Cascade Lasers; Continuous wave; Pulse

TN248

A

CN11-1780(2022)04-0126-21

10.12347/j.ycyk.20210702001

楊超, 高志強, 張宇露, 等.中遠紅外高功率量子級聯(lián)激光技術(shù)研究進展[J]. 遙測遙控, 2022, 43(4): 126–146.

10.12347/j.ycyk.20210702001

: YANG Chao, GAO Zhiqiang, ZHANG Yulu, et al. Recent progress of mid-and-far infrared high power quantum cascade technology[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 126–146.

國家科技重大專項（J2019-V-0015-0110）經(jīng)費資助；航天科技集團有限公司青年拔尖項目

史青（aashiqing@126.com）

2021-07-02

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

楊 超 1988年生，博士，工程師，主要研究方向為量子級聯(lián)激光器芯片設(shè)計和制造。

高志強 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向為寬調(diào)諧和高功率量子級聯(lián)激光器。

張宇露 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向為寬調(diào)諧和高功率量子級聯(lián)激光器。

黃 彥 1990年生，博士，高級工程師，主要研究方向為寬調(diào)諧和高功率量子級聯(lián)激光器。

史 青 1982年生，博士，研究員，主要研究方向為光纖傳感系統(tǒng)技術(shù)。

彭泳卿 1980年生，博士，研究員，主要研究方向為航天特種傳感器與傳感系統(tǒng)技術(shù)研究。

(本文編輯：潘三英)