周斌茹，馬鈺，張世晨，劉峰奇，陸全勇

（1 北京量子信息科學(xué)研究院 量子材料與器件研究部，北京 100193）

（2 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

（3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100049）

（4 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

在可見光和近紅外激光器技術(shù)與市場(chǎng)日趨成熟與飽和的背景下，傳感與環(huán)境檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谥羞h(yuǎn)紅外激光光源的需求逐漸提升，因此進(jìn)一步發(fā)展中遠(yuǎn)紅外激光器日益迫切。中遠(yuǎn)紅外區(qū)包括兩個(gè)高透過率的大氣窗口（3～5 μm，8～14 μm），該區(qū)域空氣中懸浮顆粒對(duì)于光線傳輸質(zhì)量的散射較小，因而光線傳輸距離大大增加［1］。此外，大量氣體分子如CO、CH4、NH3、SO2、HCl 等，可在2～20 μm（500～5 000 cm-1）的中紅外光譜區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的特征振動(dòng)躍遷［2］。因此，中遠(yuǎn)紅外激光光源在分子傳感、痕量氣體檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、紅外對(duì)抗、自由空間光通信以及光譜分析等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［3-5］。

目前，可產(chǎn)生紅外波段光源的器件包括：量子阱激光器、固體激光泵浦光參量振蕩器、帶間級(jí)聯(lián)激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）等。量子阱激光器作為常規(guī)的半導(dǎo)體激光光源，其利用導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴在量子阱中的復(fù)合來激發(fā)光子，其激發(fā)光的波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度［6］。而中遠(yuǎn)紅外波段的光子能量為0.04～0.4 eV，遠(yuǎn)小于絕大多數(shù)量子阱激光器材料自身帶隙，因此傳統(tǒng)量子阱激光器很難覆蓋中遠(yuǎn)紅外以及太赫茲波段。采用固體激光泵浦光參量振蕩器產(chǎn)生中遠(yuǎn)紅外的裝置一般體積較大、效率低，在實(shí)際應(yīng)用中具有較多限制［7］。此外，帶間級(jí)聯(lián)激光器可以覆蓋3～6 μm 波段，其基于電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶間的躍遷，因此其閾值電流密度、閾值功率都明顯降低，但對(duì)于中紅外甚至更遠(yuǎn)波段，帶間級(jí)聯(lián)激光器性能呈下降趨勢(shì)［8，9］。相較于其他可產(chǎn)生中紅外源的激光光源，量子級(jí)聯(lián)激光器具有體積小、能效高、波長(zhǎng)可調(diào)諧等優(yōu)勢(shì)，目前其波長(zhǎng)范圍已擴(kuò)展到3～25 μm 和1～6 THz 波段，是中紅外波段最具潛力的激光光源。

本文重點(diǎn)對(duì)中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的研究及發(fā)展概況進(jìn)行綜述。首先介紹量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展歷程，并對(duì)其基本原理及工作機(jī)制進(jìn)行闡釋。隨后圍繞不同應(yīng)用背景下對(duì)量子級(jí)聯(lián)激光器的要求，分別介紹了中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器在高效率、大功率、波長(zhǎng)可調(diào)諧、單模激射、差頻太赫茲光源和光頻梳以及片上傳感的應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展。最后進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)與展望。

1 量子級(jí)聯(lián)激光器工作原理和發(fā)展歷程

1970年前后，半導(dǎo)體超晶格與量子阱［10］的發(fā)現(xiàn)開辟了半導(dǎo)體能帶工程用于低維量子結(jié)構(gòu)與器件研究的新方向。能帶工程也被稱為波函數(shù)工程或量子剪裁工程，其物理內(nèi)涵是指利用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy，MBE）或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）等具有單原子層級(jí)加工水平的超薄外延生長(zhǎng)技術(shù)，通過改變材料的類型、組分、厚度及摻雜濃度等關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)并制備具有預(yù)期能帶特性與量子限制效應(yīng)的低維結(jié)構(gòu)材料與器件，如半導(dǎo)體超晶格、量子阱、量子線與量子點(diǎn)及其光電子量子器件等［11，12］。幾十年來，能帶工程技術(shù)在低維體系物理研究和量子功能器件中取得了一系列成果并被廣泛應(yīng)用。利用能帶工程設(shè)計(jì)制備激光器的研究經(jīng)歷了四個(gè)重要階段：半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器、應(yīng)變量子阱激光器、量子線激光器以及量子點(diǎn)激光器，上述器件都基于偏壓下導(dǎo)帶和價(jià)帶間載流子的輻射復(fù)合，激發(fā)光波長(zhǎng)取決于材料的帶隙能量。

在1994年，美國(guó)Bell 實(shí)驗(yàn)室的的FAIST J 和CAPASSO F 等［13］首次報(bào)道了利用分子束外延技術(shù)制備的以InGaAs/InAlAs 為有源區(qū)的InP 基量子級(jí)聯(lián)激光器，其是以電子在多層量子阱結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶的子帶間躍遷產(chǎn)生激射的新型半導(dǎo)體激光器，激射波長(zhǎng)為4.2 μm，該工作開辟了半導(dǎo)體激光器的新領(lǐng)域。

如圖1所示，量子級(jí)聯(lián)激光器的有源工作層是電子輻射躍遷的核心區(qū)域，其是基于超晶格或者多量子阱結(jié)構(gòu)，主要包括有源區(qū)（active region）和注入?yún)^(qū)（injector region）［14］。當(dāng)量子阱層厚度與電子的德布羅意波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，由于量子尺寸限制效應(yīng)的存在，電子在垂直于量子阱方向上的運(yùn)動(dòng)為量子化，即出現(xiàn)了一系列分立的子帶能級(jí)［15］。電子由勢(shì)壘共振隧穿進(jìn)入有源區(qū)的上能級(jí)，并由高能級(jí)躍遷至低能級(jí)，發(fā)射光子。隨后電子由出口勢(shì)壘隧穿進(jìn)入注入?yún)^(qū)，經(jīng)過弛豫冷卻后進(jìn)入下一個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行躍遷并發(fā)射光子。以此往復(fù)，通過級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)可使一個(gè)電子產(chǎn)生與級(jí)數(shù)相同的N個(gè)光子。量子級(jí)聯(lián)激光器的出現(xiàn)有效突破了現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器在輸出波段上的限制，可通過調(diào)節(jié)量子阱厚度調(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)［16］。與傳統(tǒng)的二極管激光器相比，由于沒有俄歇復(fù)合的影響，量子級(jí)聯(lián)激光器的閾值電流相比于二極管激光器有所降低，具有較高的閾值電流和功率斜率效率的溫度特性［17］。

圖1 首次報(bào)道的量子級(jí)聯(lián)激光器的能帶圖［13］Fig.1 Energy band diagram of the first reported quantum cascade laser［13］

2002年，BECK M 等［18］制備了第一個(gè)室溫連續(xù)工作的掩埋異質(zhì)結(jié)型量子級(jí)聯(lián)激光器，其激射波長(zhǎng)為9.1 μm，室溫下器件的光輸出功率為3 mW。2006年，F(xiàn)AIST J 課題組［19］首次報(bào)道了基于外部諧振腔的可調(diào)諧中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器，其波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為8.2～10.4 μm。國(guó)內(nèi)從事量子級(jí)聯(lián)激光器研究的單位主要有中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等。2009年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉峰奇課題組［20］首次采用固體源分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)出室溫連續(xù)工作的量子級(jí)聯(lián)激光器，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。近年來，該課題組已制備了多支中紅外至THz 范圍內(nèi)的高性能量子級(jí)聯(lián)激光器，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所及中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所分別在THz QCL 光頻梳及激光合束方面取得了一定進(jìn)展［21，22］。從1994年被首次研制成功至今，量子級(jí)聯(lián)激光器受到了越來越多科研團(tuán)隊(duì)的關(guān)注及研究，其在民事和軍用領(lǐng)域的應(yīng)用被不斷挖掘。

2 大功率、高效率量子級(jí)聯(lián)激光器

近年來，量子級(jí)聯(lián)激光器在遠(yuǎn)距離有害物和爆炸物探測(cè)、生物醫(yī)療、紅外對(duì)抗及遠(yuǎn)程自由空間光通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于靈敏度及范圍與激光器的輸出功率成正比，因此進(jìn)一步提高器件的輸出功率和電光轉(zhuǎn)化效率是研究人員努力的目標(biāo)之一。通過對(duì)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料外延生長(zhǎng)技術(shù)以及器件制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出功率、電光轉(zhuǎn)換效率、光束質(zhì)量、閾值電流密度等關(guān)鍵參數(shù)被不斷優(yōu)化。

目前，輸出功率的提升重點(diǎn)集中于量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，如雙聲子共振設(shè)計(jì)、單聲子共振設(shè)計(jì)、非共振抽取有源區(qū)設(shè)計(jì)、淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)、束縛-連續(xù)躍遷結(jié)構(gòu)等。圖2（a）顯示了QCL 內(nèi)載流子的限制和輸運(yùn)問題?？梢钥闯龀肆鬟^器件的理想電流外，還有基于更高能級(jí)傳輸和逃逸到連續(xù)態(tài)中的漏電流路徑。這主要決定于兩個(gè)因素：上激射能級(jí)與寄生能級(jí)的間距（Δup）和隨電壓變化的載流子逃逸能量（Δesc）。為了提高上激射能級(jí)的注入效率，首先需要采用應(yīng)變補(bǔ)償設(shè)計(jì)來提高導(dǎo)帶帶階從而增加Δesc，其次需要能帶設(shè)計(jì)在不引起交叉吸收的前提下盡量提高Δup。2008年，美國(guó)西北大學(xué)BAI Y 等［26］采用雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計(jì)，利用氣態(tài)源MBE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了激射波長(zhǎng)4.6 μm 的大功率、室溫連續(xù)波工作的量子級(jí)聯(lián)激光器，其輸出光功率達(dá)到瓦級(jí)～1.3 W。其基于四阱耦合系統(tǒng)，通過三個(gè)子帶能級(jí)依次釋放兩個(gè)縱光學(xué)聲子來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的抽運(yùn)，其具有較高的載流子注入效率。由于雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計(jì)對(duì)于量子阱和壘的厚度要求較高，若兩個(gè)相鄰較低子帶間能量與縱向光學(xué)聲子能量不匹配，則會(huì)影響下能級(jí)電子的抽運(yùn)，因此厚度發(fā)生偏差極易引起級(jí)聯(lián)的中斷。而束縛-連續(xù)躍遷的有源區(qū)設(shè)計(jì)基于三阱垂直有源區(qū)和超晶格有源區(qū)的思路［27］，其不僅具有三阱垂直有源區(qū)有效共振隧穿的特點(diǎn)，又具有超晶格有源區(qū)高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的優(yōu)勢(shì)。FAIST J 研究團(tuán)隊(duì)［28］基于斜躍遷的束縛-連續(xù)躍遷的有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在8.5 μm 波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了0.45 W 的室溫下連續(xù)輸出光功率。隨后，美國(guó)西北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)［29］在前述工作的基礎(chǔ)上，又制備了基于單聲子共振設(shè)計(jì)的4.8 μm 及10 μm 的量子級(jí)聯(lián)激光器，其中激射波長(zhǎng)4.8 μm 的器件室溫下連續(xù)波輸出功率為3.4 W，電光轉(zhuǎn)換效率為15.5%。此外，LYAKH A 等［30］采用非共振抽取設(shè)計(jì)，利用MBE 生長(zhǎng)了波長(zhǎng)為4.6 μm 的量子級(jí)聯(lián)激光器，該設(shè)計(jì)降低了載流子熱逃逸效應(yīng)，其室溫下連續(xù)輸出光功率為3 W，電光轉(zhuǎn)換效率為12.7%。

圖2 大功率量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計(jì)圖及裝置示意圖［23-25］Fig.2 Design diagram of the active region of a high-power quantum cascade laser and schematic diagram of the device［23-25］

2011年，BAI Y 等［23］報(bào)道了激射波長(zhǎng)4.9 μm 的InP 基量子級(jí)聯(lián)激光器，其室溫連續(xù)波輸出功率達(dá)到5.1 W，脈沖電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到27%，如圖2（a）～（b）。該器件的有源區(qū)基于淺阱高壘設(shè)計(jì)，包括5 種材料，分別是用于應(yīng)力平衡/補(bǔ)償?shù)牧孔于?In0.69Ga0.31As 和勢(shì)壘In0.36Al0.64As、AlAs 插入層以及晶格匹配的In0.53Ga0.47As和In0.52Al0.48As 層，這種結(jié)構(gòu)可以極大地降低載流子泄露而實(shí)現(xiàn)了高的載流子注入效率。2016年，美國(guó)佛羅里達(dá)中部大學(xué)的LYAKH A 等［31］報(bào)道了基于Al0.78In0.22As/In0.69Ga0.31As 雙阱有源區(qū)設(shè)計(jì)的量子級(jí)聯(lián)激光器，在室溫脈沖下波長(zhǎng)為5.6 μm 的器件可實(shí)現(xiàn)28.3%的電光轉(zhuǎn)換效率。2020年，美國(guó)西北大學(xué)WANG F 等［32］在BAI Y 等的工作基礎(chǔ)上，采用50 周期的有源區(qū)，4.9 μm 激射波長(zhǎng)的器件在室溫脈沖工作下的輸出光功率為23 W，脈沖電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了31%。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)［33］通過重新對(duì)InP 基量子級(jí)聯(lián)激光器設(shè)計(jì)埋脊再生工藝，并引入后拋光技術(shù)，使器件表面平坦化。平面化的器件幾何形狀改善了熱傳導(dǎo)和可靠性，最重要的是提高了連續(xù)波工作時(shí)的功率和效率。器件在室溫連續(xù)工作下，輸出功率及電光轉(zhuǎn)換效率分別為5.6 W、20%，在液氮溫度下電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到41%。在低溫80 K 以下時(shí)，載流子的熱回填效應(yīng)可忽略不計(jì)，為此BAI Y 等［34］通過將注入?yún)^(qū)設(shè)計(jì)為單阱結(jié)構(gòu)，在大幅降低電壓缺陷的同時(shí)亦可提高載流子的注入效率。在40 K 的溫度下，5 μm 量子級(jí)聯(lián)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的53%。

如圖2（c）所示，在長(zhǎng)波長(zhǎng)8 μm 波段，2019年ZHOU W 等［24］采用口袋型注入?yún)^(qū)設(shè)計(jì)，降低高能載流子的逃逸，QCL 實(shí)現(xiàn)脈沖條件下20%的電光轉(zhuǎn)換效率。為了解決連續(xù)工作條件下的散熱問題，采用片上集成光學(xué)相控陣列原理與技術(shù)，連續(xù)輸出功率達(dá)8.2 W，為QCL 在所有激射波段內(nèi)的最高片上連續(xù)輸出功率記錄。當(dāng)前量子級(jí)聯(lián)激光器的廣泛應(yīng)用的瓶頸之一是其制備成本居高不下。2020年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所WANG H 等［35］采用束縛-連續(xù)躍遷的有源區(qū)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了7.7 μm 的InP 基量子級(jí)聯(lián)激光器，其在室溫下輸出功率達(dá)到1.17 W，電光轉(zhuǎn)換效率為9.08%。2023年，同組的FEI T 等采用MOCVD 技術(shù)研制出室溫連續(xù)功率達(dá)3 W 的4.6 μm 波段量子級(jí)聯(lián)激光器和室溫連續(xù)功率達(dá)1 W 的9.0 μm 波段量子級(jí)聯(lián)激光器，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平［36］。圖3（b）總結(jié)了基于MBE 和MOCVD 技術(shù)的高性能量子級(jí)聯(lián)激光器。MOCVD 技術(shù)是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界最常用的III-V 化合物半導(dǎo)體外延技術(shù)，基于MOCVD 技術(shù)的高性能量子級(jí)聯(lián)激光器的研制成功預(yù)示著其產(chǎn)業(yè)化的巨大前景。

圖3 采用不同晶體生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)的QCL 室溫連續(xù)工作輸出的最高功率［30，36，37］Fig.3 Maximum power output from room temperature continuous operation of QCLs grown using different crystal growth methods［30，36，37］

3 波長(zhǎng)可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器

寬調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器在化學(xué)、天文、物理和生物領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。特別是，通過使用配備相應(yīng)寬調(diào)諧單模QCL 的激光吸收光譜，可以同時(shí)測(cè)量電磁（EM）光譜中紅外線范圍內(nèi)的多個(gè)分子吸收特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種痕量氣體的高分辨率光譜分析。波長(zhǎng)調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器的常用制備方法主要包括兩種：?jiǎn)纹烧{(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器以及外腔（External Cavity，EC）量子級(jí)聯(lián)激光器［38］。

除了寬調(diào)諧范圍外，應(yīng)用于氣體傳感、光譜分析等領(lǐng)域的量子級(jí)聯(lián)激光器還需具有高邊模抑制比的單模性能?；陔p溝道法布里-珀羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)P）腔的量子級(jí)聯(lián)激光器［39］由于具有易加工、光反饋效率高等優(yōu)勢(shì)，受到大量研究人員的關(guān)注。但其光反饋不具有選模機(jī)制，在光譜和遠(yuǎn)場(chǎng)分布上均表現(xiàn)出顯著的多模激射。因此，得到窄線寬、單縱模的量子級(jí)聯(lián)激光器成為了研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外已報(bào)道了一系列低功耗低閾值的單模量子級(jí)聯(lián)激光器，其在氣體檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

3.1 單模量子級(jí)聯(lián)激光器

產(chǎn)生量子級(jí)聯(lián)激光器單模的方式包括：集成外部諧振腔、分布反饋、分布布拉格反射（Distributed Bragg Reflections，DBR）、超短腔QCL 以及耦合腔QCL 等。1997年，F(xiàn)AIST J 等［40］將分布反饋機(jī)制應(yīng)用到量子級(jí)聯(lián)激光器中，在表面波導(dǎo)層中制備一級(jí)DFB 光柵，得到5.4 μm 和8 μm 波段器件的室溫脈沖單模工作。2010-2011年，LU Q Y 等［41，42］采用低損耗等離子體耦合表面光柵設(shè)計(jì)，先后研制出室溫連續(xù)輸出功率達(dá)瓦級(jí)和2.4 W 的單模DFB 量子級(jí)聯(lián)激光器。2012年，ZHANG J C 等［43］首次報(bào)道了波長(zhǎng)4.6 μm、非制冷室溫連續(xù)工作的單模DFB 量子級(jí)聯(lián)激光器，腔長(zhǎng)為1.5 mm 器件的閾值功耗為2.3 W，該值為當(dāng)時(shí)國(guó)際最低值，對(duì)于2 mm 腔長(zhǎng)的器件，其連續(xù)輸出光功率為125 mW。2014年，XIE F 等［44］通過集成DBR 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波輸出功率為2 W 和波長(zhǎng)為4.48 μm 的單模量子級(jí)聯(lián)激光器，其邊模抑制比為30 dB。如圖4所示，2020年，LU Q Y 等［45］通過對(duì)分布式反饋光柵耦合設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及反射層的改進(jìn)，制備了波長(zhǎng)范圍為3.8～8.3 μm 內(nèi)的高效率單模量子級(jí)聯(lián)激光器，室溫下連續(xù)輸出功率達(dá)5 W，墻插效率為16.6%。二級(jí)DFB 光柵QCL 適用于實(shí)現(xiàn)面發(fā)射，盡管在脊方向的光束質(zhì)量高，但在垂直于脊方向的發(fā)散角很大，使得光束呈狹長(zhǎng)橢圓分布。因此，研究人員提出了將二維光子晶體分布反饋（Photonic Crystal Distributed Feedback，PCDFB）耦合機(jī)制［46］引入量子級(jí)聯(lián)激光器中，以此得到單色性好、光束質(zhì)量高、大功率的器件。BAI Y 等［47］采用電子束曝光（Electron Beam Lithography，EBL）技術(shù)制備了第一批邊發(fā)射PCDFB QCL，通過增加有源區(qū)摻雜濃度和InP 阻擋層厚度，實(shí)現(xiàn)了單模工作，輸出功率為12 W，發(fā)散角為2.6°，偏離腔面法線方向-23°。EBL 技術(shù)雖然精度高，但其裝置昂貴且工藝過程較為耗時(shí)。相較而言，全息曝光技術(shù)可以高效、低成本地大面積制備周期性結(jié)構(gòu)。基于此，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉峰奇研究團(tuán)隊(duì)［48，49］采用此技術(shù)成功制備了一系列PCDFB量子級(jí)聯(lián)激光器，并實(shí)現(xiàn)了器件的單模、高功率和近衍射極限遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角工作。

圖4 單模量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)例［41，45］Fig.4 Example of single-mode quantum cascade laser［41，45］

3.2 EC 中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器

得益于量子級(jí)聯(lián)激光器性能的提升以及腔體配置的優(yōu)化，外腔式量子級(jí)聯(lián)激光器現(xiàn)已成為各種應(yīng)用中最重要的調(diào)諧方法之一。EC-QCL 主要包括脈沖外腔、連續(xù)波外腔以及連續(xù)調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器，其結(jié)構(gòu)主要有Littrow 以及Littman-Metcalf 配置兩種［50-52］。對(duì)于Littrow 配置，光柵的一階衍射光束作為光反饋反射回激光腔，零階光束則作為激光輸出，同時(shí)可通過旋轉(zhuǎn)光柵角度來達(dá)到單模、波長(zhǎng)調(diào)諧的目的，但存在光束隨光柵旋轉(zhuǎn)發(fā)生位移及調(diào)模的問題。而在Littman-Metcalf 中，一階衍射光束通過附加鏡反射回光柵，隨后反饋至器件。其波長(zhǎng)調(diào)諧通過調(diào)諧附加鏡實(shí)現(xiàn)，因此該配置具有固定的光束方向和自由跳模調(diào)諧。但考慮到Littrow 配置的機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)選擇性更有效且輸出效率高，因此目前的EC-QCL 以Littrow 配置為主。

2001年，LUO G P 等［50］首次報(bào)道了量子級(jí)聯(lián)激光器與外腔的集成，該量子級(jí)聯(lián)激光器由三個(gè)量子阱有源區(qū)組成，采用Littrow 配置實(shí)現(xiàn)了單模及波長(zhǎng)可調(diào)諧。在80 K 時(shí)，EC-QCL 在4.5 μm、5.1 μm 波長(zhǎng)處分別實(shí)現(xiàn)了～65 nm 及～88 nm 的調(diào)諧范圍。2007年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的MOHAN A 等［53］首次報(bào)道了室溫連續(xù)工作的EC-QCL，裝置示意圖如圖5（a）所示，其波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為7.96～8.84 μm，在20 ℃下，器件的輸出光功率為20 mW。CENTENO R 等［54］報(bào)道了一種用于對(duì)具有寬帶和單線吸收特征的分子進(jìn)行紅外振動(dòng)光譜分析的高功率、可廣泛調(diào)諧的連續(xù)波外腔量子級(jí)聯(lián)激光器，結(jié)果展示于圖5（b）中。其在8 μm 波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了1 129～1 432 cm-1（ 1.9 μm）的調(diào)諧范圍，輸出光功率為200 mW。2022年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所SUN Y Q 等［55］報(bào)道了基于EC-QCL 的爆炸物和危險(xiǎn)材料高靈敏度快速檢測(cè)系統(tǒng)，采用此裝置對(duì)三硝基甲苯（TNT）進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度達(dá)到1 μg/cm2。盡管EC-QCL 性能得到了很大程度的提升，但引入額外的外部元件大大增加了整個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并使EC-QCL 對(duì)振動(dòng)更加敏感，成本也相對(duì)較高，因此需采用其他方案來彌補(bǔ)EC-QCL 的局限性。

圖5 EC 量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)例［53，54，56］Fig.5 Example of external cavity-quantum cascade laser［53，54，56］

3.3 單片可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器

單片可調(diào)諧的量子級(jí)聯(lián)激光器為克服EC-QCL 存在的局限提供了新的方法，其主要包括DFB-QCL 陣列、采樣光柵-QCL（Sampled Grating-QCL，SG-QCL）、耦合腔QCL 以及溝道型-QCL（slot-QCL）等。2009年，哈佛大學(xué)CAPASSO F 研究團(tuán)隊(duì)［57］報(bào)道了32 個(gè)DFB-QCL 組成的陣列，如圖6（a）中所示，通過改變光柵周期實(shí)現(xiàn)了8.71～9.47 μm 范圍的波長(zhǎng)調(diào)諧。美國(guó)西北大學(xué)SLIVKEN S 等［58］將光柵周期為753、768 及783 nm的一階光柵直接定義在有源區(qū)頂部的300 nm InGaAs 層上，通過改變注入的直流電流，使制備的4.8 μm 波長(zhǎng)的SG-QCL 實(shí)現(xiàn)了270 nm 調(diào)諧范圍。次年，該研究團(tuán)隊(duì)在上述研究的基礎(chǔ)上，報(bào)道了基于數(shù)字級(jí)聯(lián)光柵-采樣光柵分布式反饋（Digital Concatenated Grating-Sampled Grating Distributed Feedback，DCG-SGDFB）的量子級(jí)聯(lián)激光器［59］，器件的設(shè)計(jì)如圖6（b）所示，部分補(bǔ)償了標(biāo)準(zhǔn)高效量子級(jí)聯(lián)激光器核心中光學(xué)增益的波長(zhǎng)依賴性，實(shí)現(xiàn)了500 nm 的全調(diào)諧范圍，且為單模激射，邊模抑制比＞20 dB。FUCHS P 等［60］報(bào)道了InP基FP 耦合腔量子級(jí)聯(lián)激光器，長(zhǎng)短腔長(zhǎng)度分別為1 402、590 μm，實(shí)現(xiàn)的可調(diào)諧范圍為242 nm。相較于耦合腔QCL，slot-QCL 的制備工藝簡(jiǎn)單，調(diào)諧范圍大，接近于SG-QCL 的調(diào)諧寬度。2014年，南洋理工大學(xué)MENG B 等［61］報(bào)道了基于雙節(jié)蝕刻槽結(jié)構(gòu)的10 μm 可調(diào)諧、單片、單模量子級(jí)聯(lián)激光器，實(shí)現(xiàn)了785 nm 的單模調(diào)諧范圍，相當(dāng)于相對(duì)調(diào)諧范圍的7.8%，整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)的邊模抑制比為20 dB。2022年，該研究團(tuán)隊(duì)LI J H 等［62］報(bào)道了基于中紅外區(qū)槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的單模、寬調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器陣列，在室溫下調(diào)諧范圍為71 cm-1，采用此原理設(shè)計(jì)的另一個(gè)slot-QCL 陣列調(diào)諧范圍為41 cm-1，其連續(xù)調(diào)諧及簡(jiǎn)易的制備過程使該陣列器件成為中紅外傳感和光譜應(yīng)用的合適候選器件。

4 量子級(jí)聯(lián)激光器光頻梳

光頻梳（Optical Frequency Comb，OFC）是一種獨(dú)特的激光源，其在頻域上表現(xiàn)為一系列離散、等間隔的相干光譜線，在光通信、頻率計(jì)量、原子鐘、測(cè)距、光譜學(xué)分析以及低噪聲微波產(chǎn)生等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。2005年，H?NSCH W 以及HALL Y 由于在激光精密光譜學(xué)包括光頻梳技術(shù)領(lǐng)域取得的成就，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)［63］，自此，光頻梳技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。目前，多種技術(shù)已被證實(shí)可用于產(chǎn)生光頻梳，包括鎖模激光器、Kerr-非線性微諧振器［64，65］，然而上述技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)中紅外波段至太赫茲（THz）范圍（波長(zhǎng)λ為3～300 μm）的光頻梳。為了解決上述問題，差頻產(chǎn)生、光參量振蕩以及光波導(dǎo)天線等方案被提出［66］，但上述方案所需的光學(xué)裝置較復(fù)雜，這無疑對(duì)光頻梳的實(shí)際應(yīng)用增加困難。

由于導(dǎo)帶內(nèi)子帶躍遷的量子級(jí)聯(lián)激光器具有極高的非線性，2012年，F(xiàn)AIST J 等利用其有源區(qū)的強(qiáng)三階非線性系數(shù)，證明了在波導(dǎo)群速率色散（group velocity dispersion）足夠低的設(shè)計(jì)下，量子級(jí)聯(lián)激光器可通過四波混頻（four-wave mixing）效應(yīng)將色散的FP 模式鎖定成具有固定相位的等頻率間隔的光頻梳模式，實(shí)現(xiàn)了中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器光頻梳輸出［67］。2014年，該團(tuán)隊(duì)［68］提出了一種基于量子級(jí)聯(lián)激光器光頻梳的緊湊型半導(dǎo)體電驅(qū)動(dòng)雙梳光譜儀，同時(shí)利用該雙梳光譜儀演示了GaAs 和水蒸氣的寬帶高分辨率（80 MHz）吸收光譜。2015年，VILLARES G 等［69］報(bào)道了一種基于中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器頻率梳的片上雙梳源，通過在量子級(jí)聯(lián)激光器旁集成微加熱器實(shí)現(xiàn)對(duì)于雙梳偏移頻率的控制，該工作闡釋了緊湊型、片上集成雙梳系統(tǒng)的可行性。2017年，美國(guó)西北大學(xué)LU Q Y 等［70］實(shí)現(xiàn)了大功率、高效率的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器光頻梳，通過四波混合技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效寬帶鎖模，制備的光頻梳電光轉(zhuǎn)化效率達(dá)6.85%，在λ～8 μm 處具有高達(dá)880 mW的高功率輸出，適用于～290 種模式，覆蓋110 cm-1的光譜范圍。隨后在2019年，該研究團(tuán)隊(duì)［71］繼續(xù)報(bào)道了一種室溫太赫茲光頻梳，其基于腔內(nèi)集成DFB 光柵的下轉(zhuǎn)化單模中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)生，器件的剖面示意圖如圖7（b）所示，其頻率范圍為2.2～3.3 THz，室溫下連續(xù)波功率達(dá)5 μW。2022年，JAIDL M 等［72］采用芯片鍵合的方式實(shí)現(xiàn)了無缺陷環(huán)形太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器與硅襯底的結(jié)合，并觀察到頻譜帶寬為70 GHz的光頻梳，該技術(shù)為未來硅基異質(zhì)集成太赫茲器件的制備及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖7 量子級(jí)聯(lián)激光器光頻梳示意圖［63，69，71］Fig.7 The schematic diagram of quantum cascade laser frequency comb［63，69，71］

5 基于量子級(jí)聯(lián)激光器室溫差頻太赫茲光源

從20世紀(jì)80年代太赫茲電子器件和太赫茲時(shí)域光譜學(xué)的研究開始，太赫茲（0.3～10 THz）領(lǐng)域的研究迅速由基礎(chǔ)科學(xué)擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中［73，74］。相比于高頻的紅外和低頻的微波波段，THz 波段電磁波是一種非電離輻射，其對(duì)生物組織輻射影響很小，能量?jī)H為X 射線透視、散射等電離輻射的百萬分之一，可應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、地鐵等入口處的無害安檢和成像檢測(cè)。此外，許多分子氣體如硫化氫（H2S）、甲醛（H2CO）等在該波段有較強(qiáng)的吸收作用，具有比紅外波段更明顯的特征吸收峰，并且線型重疊較少，使得氣體的辨識(shí)更加容易。目前，肖特基二極管、共振隧穿二極管、碰撞離化雪崩二極管等電子器件在1 THz 以下的低頻段都可以產(chǎn)生室溫THz 光輻射［75］，但其頻率很難覆蓋1 THz 以上。GaAs 基的THz 量子級(jí)聯(lián)激光器的激射波長(zhǎng)可覆蓋1～5 THz 范圍［76］，低溫時(shí)輸出功率也達(dá)到了瓦級(jí)大關(guān)，但至今仍未實(shí)現(xiàn)室溫工作。針對(duì)上述問題，研究人員提出了基于中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的腔內(nèi)差頻（Different Frequency Generation，DFG）方案，其可產(chǎn)生室溫工作、頻率覆蓋1～5 THz 的光源。

中紅外QCL 差頻產(chǎn)生室溫THz 波的研究極富挑戰(zhàn)性，需要具有良好的中紅外QCL 研究基礎(chǔ)。2007年哈佛大學(xué)CAPASSO F 組［77］首次報(bào)導(dǎo)了THz-DFG QCL，他們采用相匹配模式，80 K 輸出功率約60 nW。2011年，LU Q Y 等［78］首次實(shí)現(xiàn)了室溫單模THz-DFG QCL 光源，如圖8（a）所示，其提出采用復(fù)式光柵波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)單模雙波長(zhǎng)激射，該工作可將差頻的THz 波長(zhǎng)溫度漂移系數(shù)降低到中紅外波段的十分之一，使得THz-DFG QCL 成為波長(zhǎng)更穩(wěn)定的緊湊型THz 光源。隨后通過優(yōu)化波導(dǎo)層厚度、摻雜及器件工藝，實(shí)現(xiàn)了3.5 THz 下峰值功率1.9 mW［79］，3.6 THz 連續(xù)波功率14 μW［80］（圖6（b））。此外，美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的BELKIN M 組［81］提出采用Cerenkov 泄露模式替代以往的相匹配模式，使得THz 輻射功率提高至μW 量級(jí)。2015年，RAZEGHI M 等［3］通過優(yōu)化波導(dǎo)及有源區(qū)，利用倒裝焊解決散熱問題，實(shí)現(xiàn)了3.5 THz 最高峰值功率約為1.9 mW，連續(xù)波輸出功率為14 μW。2016年，LU Q Y 等［80］在美國(guó)西北大學(xué)報(bào)道了一種基于腔內(nèi)差頻產(chǎn)生的強(qiáng)耦合應(yīng)變平衡量子級(jí)聯(lián)激光器設(shè)計(jì)，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)THz 輸出，激發(fā)功率為14 μW。2019年，日本濱松光電公司研究團(tuán)隊(duì)［82］基于差頻產(chǎn)生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寬帶太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光源，并利用該光源實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)成像。

圖8 基于量子級(jí)聯(lián)激光器室溫差頻太赫茲光源實(shí)例［78，80］Fig.8 Example of room temperature differential frequency terahertz light source based on quantum cascade laser［78，80］

6 量子級(jí)聯(lián)激光器在片上傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，隨著量子級(jí)聯(lián)激光器的快速發(fā)展，其在諸多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。特別地，具有響應(yīng)速度快、對(duì)目標(biāo)氣體特異性強(qiáng)等特點(diǎn)的氣體傳感技術(shù)已被證明是一種可靠的痕量氣體測(cè)量技術(shù)，其在生物醫(yī)療、軍事領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景，越來越引起研究人員的關(guān)注。傳統(tǒng)的氣體傳感技術(shù)大多基于分離傳感器等組裝，限制了在實(shí)際中的應(yīng)用。相比分立式氣體傳感技術(shù)，片上集成的氣體傳感技術(shù)可在微納尺度內(nèi)檢測(cè)目標(biāo)物，滿足微小型化/芯片化、輕量化、低功耗氣體檢測(cè)的需求，成為“載人航天、星際（如火星）探測(cè)”等深空氣體探測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)選解決方案。

2013年，SCHWARZ B 等［83］基于開發(fā)的雙功能量子級(jí)聯(lián)激光器和探測(cè)器有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)了量子級(jí)聯(lián)激光器與量子級(jí)聯(lián)探測(cè)器（Quantum Cascade Detectors，QCD）的片上集成，其可作為中紅外氣體傳感器。如圖9（a）所示，2016年，美國(guó)西北大學(xué)ZHOU W J 等［84］將8 個(gè)SGDFB-QCL 組成的陣列與片上合束器進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了6.2～9.1 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可調(diào)諧QCL 光源。并采用該可調(diào)諧激光源對(duì)甲烷進(jìn)行了快速寬帶光譜測(cè)量（520 cm-1），其結(jié)果與使用標(biāo)準(zhǔn)低速紅外光譜儀得到的測(cè)試結(jié)果非常吻合。這種緊湊型的單片大范圍可調(diào)諧激光技術(shù)為近紅外光譜和化學(xué)傳感帶來新的機(jī)遇。隨后，WANG R J 等［85］報(bào)道了一種可室溫連續(xù)工作的硅基DFB-QCL 陣列，通過將InP 基外延鍵合至硅-波導(dǎo)襯底上實(shí)現(xiàn)了硅基片上集成，其為實(shí)現(xiàn)可同時(shí)檢測(cè)多種氣體的全集成硅光子傳感器提供了可能。2020年，YOO K M 等［86］設(shè)計(jì)制備了帶有孔狀光子晶體波導(dǎo)（Holey Photonic Crystal Waveguides，HPCW）和亞波長(zhǎng)光柵包層波導(dǎo)（Sub-Wavelength grating cladding Waveguides，SWW）的全懸浮InGaAs 波導(dǎo)器件，同時(shí)與單片集成的QCL/QCD 相結(jié)合，對(duì)5 ppm 的NH3進(jìn)行檢測(cè)。其中，QCL/QCD 集成SWW 傳感器的最小可檢測(cè)氣體濃度為84 ppb（ppb=10-9），該工作為InGaAs-InP 基InGaAs 膜懸浮波導(dǎo)首次在該波長(zhǎng)處展示氣體傳感結(jié)果。2022年，HINKOV B 等［87］報(bào)道了將量子級(jí)聯(lián)激光器、波導(dǎo)區(qū)及探測(cè)器進(jìn)行全單片集成的中紅外傳感器，如圖9（c），其可實(shí)現(xiàn)對(duì)于物質(zhì)的原位檢測(cè)，芯片尺寸＜5 mm×5 mm。此外，GUO Q 等［88］報(bào)道了一種單片集成邊發(fā)射傳感器，其通過將QCL 與QCD 集成，傳輸距離可達(dá)到1.16 mm。2023年，PILAT F 等［89］通過將4 對(duì)DFB-QCL 及QCD 單片集成，實(shí)現(xiàn)了6.1 μm 的QCL/QCD 傳感陣列，將該單片傳感在水中進(jìn)行靈敏度測(cè)試，其相對(duì)檢出限介于120～150 ppm（ppm=10-6）間，該工作為中紅外光譜范圍內(nèi)進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)液體光譜測(cè)量及氣體檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。另外，QCL 的皮秒級(jí)載流子壽命賦予其內(nèi)稟的高速特性，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行合適的高速封裝后，QCL 亦可實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)探測(cè)，因而基于QCL 光頻梳及太赫茲光源在片上傳感具有巨大應(yīng)用前景。

圖9 片上傳感的量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)例［83，84，87］Fig.9 Example of quantum cascade laser facing on-chip sensing［83，84，87］

7 結(jié)論

經(jīng)歷了過去三十多年的研究，量子級(jí)聯(lián)激光器得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已成為中紅外和太赫茲波段的主流激光光源，在片上傳感、氣體檢測(cè)、自由空間光通信、定向紅外對(duì)抗以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展及原理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡釋，并梳理了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的量子級(jí)聯(lián)激光器，包括大功率、高效率、單模、波長(zhǎng)可調(diào)諧、光頻梳、差頻太赫茲光源以及片上傳感上的應(yīng)用等。目前，量子級(jí)聯(lián)激光器在醫(yī)療、氣體檢測(cè)、紅外對(duì)抗等領(lǐng)域已開始實(shí)現(xiàn)商用化。因其優(yōu)異的性能，相信在未來量子級(jí)聯(lián)激光器的價(jià)值會(huì)被不斷挖掘，在人民生命健康及國(guó)家科技發(fā)展方面扮演重要角色。