我們(men) 對λ = 6 ~ 9 μm光譜範圍內(nei) 的LWIR QC激光器參數進行了綜述。這些器件的高功率達到了與(yu) MWIR激光器相當的水平，在選定波長下的輸出功率超過1w。單模發射也已被證明，在RT下連續工作，功率超過150mw。將需要進一步努力製造和包裝這些裝置，以便在現場部署的係統中使用。
量子級聯激光器-長波紅外（λ>6 μm）的製造性能展示
到目前為(wei) 止，在λ = 6-8 μm範圍內(nei) ，已經實現了長波長的高功率（pto bbb1w）工作。當波長達到λ = 9 μm （pto = 0.5 W）時，性能顯著提高，而當波長超過9 μm時，性能迅速下降。本文總結了波長為(wei) λ = 6.1 μm （QCL-A）、λ = 7.3 μm （QCL-B）、λ = 7.8 μm （QCL-C）和λ = 8.9 μm （QCL-D）的激光器的實驗結果。這些器件的激光器結構基本上是相似的，包括與(yu) InP襯底相匹配的多阱InGaAs/InAlAs有源區域晶格，以及所謂的結合-連續體(ti) 或等效方式的四個(ge) 或更多有源阱。活性阱周期性地重複30-40次，並被厚的、低摻雜的、InP包層包圍，在頂部觸點下方有等離子體(ti) 增強的約束層。
圖1
圖1顯示了器件QCL-A的電光特性。這種情況下的波導尺寸為(wei) ：width×length = 7.5 μm×4 mm。發射波長以λ = 6.14 μm為(wei) 中心，Max輸出功率為(wei) P = 1.25 W。高反射塗層可用於(yu) 器件的單麵發射。在電流為(wei) I = 1.2 A時，Max壁插效率（定義(yi) 為(wei) 器件的電光轉換效率，不包括熱電冷卻器（TEC）所需的功率，η = Pout/Pin）為(wei) η = 7%。對於(yu) 安裝在銅散熱器上的激光器，該器件的閾值電流密度隨溫度的變化如圖1(c)所示。用表達式Jth = J0exp（T/T0）擬合數據，得到連續工作條件下的特征溫度T0 = 118 K，脈衝(chong) 模式下的特征溫度T0 = 117 K。這些值的接近表明器件與(yu) 基板的熱接觸良好。從(cong) 反腔長度測量中，我們(men) 估計內(nei) 部損耗為(wei) αi = 7.6 cm−1。
圖2
λ = 7.3 μm QCL-B器件的性能特征如圖2所示。在15°C時，器件的光功率發射功率大於(yu) Pout = 0.7 W，在Max電流I = 1.25 a時，轉換效率η = 5%。在寬10.5 μm，長3 mm的BH波導中，通過電子束蒸發在背麵沉積高反射率金屬塗層。與(yu) QCL-A器件相比，在15◦C時獲得了z高的轉換效率[見圖2(b)]。相對於(yu) 較長的腔體(ti) 器件，如QCL-A，總功率的顯著降低部分是由於(yu) 較短的腔體(ti) 長度和內(nei) 部腔損失，這些損耗影響了HRcoated器件的前麵發射的總光功率，而不是從(cong) 未塗層器件的兩(liang) 個(ge) 側(ce) 麵測量的總功率。未來對輸出耦合的改進包括在輸出麵的增透（AR）塗層以優(you) 化Max光功率。對於(yu) cw激光器，QCL-B器件的特征溫度為(wei) T0 = 135 K。
圖3
用規則FP波導處理的QCL-C器件如圖3所示。在T = 15◦C的散熱溫度下，采用9 μ m寬、5 mm長的波導器件，總輸出功率可達Pout > 0.6 W，轉換效率η = 3%。當器件寬度增加到11 μm時，總功率為(wei) Pout = 0.8 W，效率為(wei) η = 3.4%。中心波長為(wei) λ = 7.85 μm，特征溫度為(wei) T0 = 145 K。閾值電流對溫度的靈敏度越小從(cong) QCL-A到QCL-C器件的T0值的增加可以部分地證明，由於(yu) 較長波長激光器中較高激光能級的能量較低，更小比例的熱電子損失到傳(chuan) 導帶連續體(ti) 中，從(cong) 而提高了注入效率。
圖4
QCL-D器件的發射特性如圖4所示。對於(yu) 寬度為(wei) 12 μm，長度為(wei) 4 mm的器件，在λ = 8.9 μm的中心波長處，激光器的總輸出功率為(wei) >.8 W（無塗層的兩(liang) 個(ge) 麵輸出之和）。在15◦C連續工作時，典型的功率轉換效率約為(wei) η = 4%，特征溫度為(wei) T0 = 149 K，與(yu) 以前器件在更長波長的情況下觀察到的T0增加一致。圖4和圖2中L-I曲線中的扭結通常與(yu) 光譜不穩定性和在寬器件中發生的不同側(ce) 向模式的發射有關(guan) 。這裏所示的所有激光都是在BH波導中處理的，由於(yu) 它們(men) 的寬度，可以支持多個(ge) 橫向模式。
從(cong) 反腔長度測量的內(nei) 部損失估計為(wei) αi = 6 cm−1。這個(ge) 數字與(yu) 較短波長的QCL-A激光器測量的內(nei) 部損耗相當，表明長波長的性能下降不是由於(yu) 單一的貢獻，例如較大的損耗，而是不同因素的複雜組合，包括，例如，激光模式和較長波長的有源區域之間的重疊減少。特別是後者，對激光閾值和斜率效率都有貢獻，因此以不同的方式影響激光的操作。從(cong) 脈衝(chong) 和連續模式下閾值電流的比較[見圖4(c)]，我們(men) 可以估計相對於(yu) 散熱器的活性區域溫度的增加約25 K，我們(men) 假設在低占空比（<1%）的脈衝(chong) 模式下工作時，器件沒有發生明顯的加熱。
分布式反饋激光器已經由與(yu) DFB-C工藝相同的材料製成。波導核心在有源區兩(liang) 側(ce) 包括InGaAs包層，以增加光約束。我們(men) 的dfb利用了波導的這一特性，在波導InGaAs包層中蝕刻一個(ge) 周期圖案，隨後再生長InP低折射率層作為(wei) 光波導的頂部包層。在另一種方案中，犧牲InGaAs蝕刻層在距離有源核心一定距離的地方生長，中間有一個(ge) InP緩衝(chong) 層。這使我們(men) 能夠使用選擇性蝕刻，並在不影響有源區域的情況下通過InGaAs層進行蝕刻。埋藏異質結構的選擇性生長和接觸沉積完成了激光加工。
圖5
圖6
單模器件的結果如圖5所示，在15◦C下，我們(men) 從(cong) 單個(ge) 發射極獲得了高達約Pout = 180 mW的連續功率。2毫米長的器件安裝在正麵朝下，並在高達60°C的連續波中工作，輸出功率為(wei) 10 mW。典型光譜如圖6(a)所示，其中對數尺度表示30 db側(ce) 模抑製比。從(cong) 連續波亞(ya) 閾值光譜[圖6(b)]，我們(men) 可以確定布拉格阻帶的寬度，對應耦合強度的估計約為(wei) kL = 3.5。該值高於(yu) 強耦合分布式反饋設備（kL = 1-2）的通常預期值。對光柵與(yu) 光學模式耦合的更深入的探討將在其他地方提出。發射波長與(yu) 溫度的相關(guan) 性為(wei) λ/T = 0.4 nm/K，並且從(cong) 連續波波長與(yu) 脈衝(chong) 低占空比操作的紅移中，我們(men) 能夠估計出器件的熱阻為(wei) 5 K/W，優(you) 於(yu) QCL器件通常在10 K/W左右的平均測量值。圖6(a)所示發射光譜對應的光柵周期為(wei) δ = 1.21 μm，對應的有效折射率為(wei) neff = 3.198。
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