量子級聯激光器——從工具到国产欧美在线

正文

量子級聯激光器——從(cong) 工具到国产欧美在线

（本文譯自quantum cascade lasers: from tool to product，M.Razeghi, Q. Y. Lu, N. Bandyopadhyay, W. Zhou, D. Heydari, Y. Bai, and S.Slivken）

1.介紹

自20世紀60年代激光發明以來，人們(men) 一直在追求一種更小、更便宜、更大功率、波長更靈活的激光源。作為(wei) 半導體(ti) 激光器，量子級聯激光器(QCL)是一種能帶工程器件，其電磁輻射是通過超晶格量子阱[1]內(nei) 能級間的子帶間躍遷來實現的。自1994年首次實驗演示以來，QCL技術得到了巨大的發展。這些性能水平是結構設計、材料質量和製造技術不斷改進的結果[3-5]。目前，它正在成為(wei) 中紅外(中紅外)和太赫茲(zi) (太赫茲(zi) )頻率範圍內(nei) 的激光源，並在氣體(ti) 傳(chuan) 感、環境監測、醫療診斷、安全和國防[6]中有許多国产成人在线观看免费网站。

西北大學量子器件中心(CQD)的目標是推進光電技術，從(cong) 紫外到太赫茲(zi) 光譜區域。這包括基於(yu) III-V半導體(ti) 的許多不同技術的發展[7,8]。自1997年以來，CQD在量子級聯激光器QCL的發展上投入了相當大的努力，特別是在功率、電光轉換效率(WPE)、單模操作、調諧和光束質量方麵，推動QCL從(cong) 一個(ge) 實驗室工具成為(wei) 一個(ge) 廣泛的国产欧美在线，造福於(yu) 公眾(zhong) 。實驗結果表明，WPE為(wei) 21%，輸出功率為(wei) 5.1 W的室溫連續波工作效率高，輸出功率為(wei) 0.51 W的環形腔麵發射QCL為(wei) 室溫連續波工作效率高，D1個(ge) β型分布反饋QCL為(wei) [11]。在本文中，我們(men) 介紹了近年來在QCL方麵取得的一些突破，並在接下來的章節中進行了詳細討論，即大功率高效QCL；λ~3-4 μm的高性能QCL λ~6-10 μm的寬帶QCL，波長敏捷QCL；具有片上波束組合的QCL用於(yu) 廣泛的電子調諧；在中紅外QCL中基於(yu) 差頻產(chan) 生(DFG)的太赫茲(zi) 源。

2. 大功率高效量子級聯激光器

在QCL發明8年後，D1個(ge) 室溫連續QCL被成功製備波長為(wei) 9.1 μm，輸出功率為(wei) 10 mW[12]。不久之後，西北大學的CQD在3.8μm[13]到10.6 μm[14]波長範圍內(nei) 實現了高功率室溫連續波工作。且自2007年以來，主要研究波長在4.7 μm左右的紅外對抗、自由空間通信、化學傳(chuan) 感等方麵的国产成人在线观看免费网站。當時，報道的合適室溫CW功率為(wei) 0.3 W， WPE為(wei) 3.7%[15]。到2011年，QCL在室溫連續運行達到了5.1 W的輸出功率，WPE為(wei) 21% [9]。在室溫脈衝(chong) 模式下，WPE從(cong) 7.7%提高到27%。這一趨勢如圖1(a)所示。

圖1. (a) 2007 - 2011年QCL性能改善情況。(b) 2007年和2011年次效率和WPE的比較

一般來說，WPE越高，輸出功率越高。我們(men) 在室溫連續波工作中實現高WPE的策略可分為(wei) 兩(liang) 部分。一方麵，我們(men) 展示了脈衝(chong) 模式下在室溫下的高WPE。這主要是設計和優(you) 質的增益介質材料。另一方麵，我們(men) 在整個(ge) 器件的設計和加工過程中都考慮了熱因素，目的是實現高的熱導，這樣就可以使CW WPE與(yu) 脈衝(chong) WPE接近。脈衝(chong) 電光轉換效率可以分解為(wei) 四個(ge) 次效率，即內(nei) 部量子效率、電壓效率、電效率和光學效率。在四個(ge) 次效率中，內(nei) 部量子效率是重要的，它隻能通過探索核心結構[16]的設計來提高。從(cong) 圖1(b)可以看出，內(nei) 部量子效率的提高幅度大。室溫QCL設計是[16]中報道的淺井設計。在室溫連續焊條件下，采用埋脊再生和脫膠下粘接的效果佳。此外，埋地脊構造的脊寬也很重要。需要在低損耗和高導熱方麵做出妥協。詳細的討論可以在[3]中找到。

WPE是一個(ge) 重要的指標數字，代表了設備的整體(ti) 質量。盡管過去幾年取得了令人矚目的進展，但要進一步改善性能仍麵臨(lin) 巨大挑戰。如果去除溫度限製，是否可以實現50%的WPE將是很有趣的。50%是一個(ge) 重要的裏程碑，因為(wei) 它標誌著光子產(chan) 生戰勝了聲子產(chan) 生。為(wei) 了應對這一挑戰，專(zhuan) 門為(wei) 低溫高效作業(ye) 設計了兩(liang) 種新設計，分別稱為(wei) 單井注入器設計[17]和“超強耦合”主動設計[18]。單井注入器設計體(ti) 現在注入器狀態。從(cong) 單個(ge) 注入井開始，該結構中隻有一個(ge) 注入井狀態。這種注入器狀態的空間和能量位置經過精心設計，以便在開啟狀態下建立“熱正向填充”方案。該方案有利於(yu) 種群反轉和載體(ti) 傳(chuan) 輸。這樣可以使內(nei) 部量子效率和電壓效率Z大化。在這種結構下，WPE為(wei) 53%，這代表了任何QCL的高值。

多年來，在4.7 μm的特定波長附近已經出現了幾個(ge) 重要的突破。大多數這些突破可以很容易地適用於(yu) 其它中紅外波長。在所有的一切中，材料質量是重要的，並強烈地影響差分增益和在設備內(nei) 的傳(chuan) 輸。雖然在提高材料質量方麵做出了很大的努力，但界麵粗糙度仍然存在。目前，提出的許多“優(you) 化”設計隻是對每個(ge) 研究小組目前存在的材料做出了簡單的反應。由界麵效應引起的輸運相幹性的改變就是一個(ge) 很好的例子，它可以極大地改變通過隧道裝置的峰值電流。因此，盡管通過微調振蕩器強度和反交叉能量仍有望取得一些改進，但提高器件性能的真正關(guan) 鍵將是基於(yu) 材料的。

由於(yu) 高效量子級聯激光器QCL的快速發展，在λ~4.6 ~ 4.8 μm範圍內(nei) 實現了室溫連續運行的高功率DFB QCL[19,20]。設計並製備了一種簡單的平麵光柵，其光柵深度為(wei) 120nm。計算得到的耦合係數為(wei) 1.37cm−1，模態損失識別為(wei) 0.4 cm−1，對於(yu) 5 mm長腔的單模態工作是足夠的。後刻麵塗HR塗層，前刻麵塗AR塗層。AR塗層不僅(jin) 有助於(yu) 提高斜度效率，而且有助於(yu) 淨化FP模式的高鏡麵損耗的激光光譜。寬11 μm、長5 mm的DFB QCL器件在10% WPE的條件下，在室溫、連續介質條件下產(chan) 生2.4 W的輸出功率。在整個(ge) 電流範圍內(nei) 觀察到單模發射，其側(ce) 模抑製比(SMSR)為(wei) 30 dB，遠場為(wei) 單葉。

3. 3-4 μm波段的高性能QCL

許多基本的C-H、N-H和O-H拉伸模式在3-4 μm的電磁波譜範圍內(nei) 具有很強的共振。例如，甲烷、甲醛、一氧化碳和一氧化二氮都是強溫室氣體(ti) 。因此，這些指紋區域在汙染控製、呼吸分析或水汙染物檢測等国产成人在线观看免费网站中特別有趣。因此，在這個(ge) 波長範圍內(nei) 的高效輻射源在光譜法檢測痕量氣體(ti) 中是必不可少的。由於(yu) 低閾值電流密度和高輸出功率[21]，帶間級聯激光器(ICLs)在短波長區域具有良好的光源。由於(yu) QCL具有較高的功率和定製發射頻率的獨特可能性，因此在這個(ge) 光譜範圍內(nei) 也是合適的光源[22,23]。

国产成人在线观看免费网站4-5 μm高波長側(ce) 的QCL知識是實現3-4 μm QCL的途徑之一。與(yu) 長波長對應物相似，由於(yu) 在量子阱係統中，相對於(yu) 雙聲子共振或約束於(yu) 連續體(ti) 設計，激光的上能級在絕對能量方麵較低，因此采用3阱有源區或單聲子共振來設計有源區。這就產(chan) 生了更好的電子約束，增加了電子通過光學聲子發射和對連續體(ti) 的熱發射逃逸的活化能。

3-4 μm QCL的關(guan) 鍵是高應變平衡超晶格GaxIn1-xAs/ AlyIn1-yAs，具有高材料質量[22]。當波長變短時，發射的光子能量變高，需要更高的應變來為(wei) 電子提供足夠的能量約束。從(cong) 4 ~ 5 μm到3 ~ 4 μm, GaInAs阱中的Ga組分從(cong) 31%增加到21%，AlInAs屏障中的Al組分從(cong) 64%增加到89%。因此，導帶偏移從(cong) 0.8 eV增強到1.2 eV[24-26]。

這種高度應變平衡的超晶格的生長是非常具有挑戰性的。我們(men) 使用定製設計的氣體(ti) 源分子束外延(GSMBE)在n-InP基板上生長我們(men) 的結構。GSMBE反應器專(zhuan) 門用於(yu) QCL的生長。反應器定期維護，以確保始終如一的高材料質量。對每個(ge) 生長進行生長後表征，以確定設計參數和監測生長條件。利用掃描電子顯微鏡和高分辨X射線衍射儀(yi) 對薄膜的厚度和組成進行了表征。實驗和模擬(X ' Pert外延)激光芯X射線衍射曲線如圖2所示。這兩(liang) 條曲線具有很好的一致性，確定了材料的組成。在X射線中，低背景和高階超晶格的尖峰表明，超晶格中應變的增加伴隨著尖銳的界麵，衛星峰的半大全寬(FWHM)小為(wei) 21.2弧秒。

圖2. 30級激光芯的實驗和模擬x射線衍射曲線

在過去的幾年裏，人們(men) 進行了一係列的實驗來縮短QCL的發射波長。為(wei) 了實現高功率室溫連續波運行，將晶片加工成寬度為(wei) 3 ~ 10 μm的埋地脊結構。一個(ge) 腔長為(wei) 3-5毫米的裝置被切割並向下安裝在鑽石底座上。圖3總結了3.7 ~ 3.0 μm QCL的功率-電壓(P-I-V)性能發展。λ~3.7 μm時，連續波大輸出功率為(wei) 1.1W，閾值電流密度為(wei) 1.67KA/cm2，斜率效率接近閾值2.16 W/ a。連續波和脈衝(chong) 操作的RT和WPE分別為(wei) 6%和10%。在3.3 ~ 3.6 μm範圍內(nei) ，λ~3.56 μm和λ~3.39 μm處的大RT功率為(wei) 437 mW，連續功率為(wei) 403mW。λ~3.7 μm時，脊寬為(wei) 3 μm，腔長為(wei) 5mm的QCL在室溫下的連續波輸出功率為(wei) 2.8 mW。對於(yu) 任何QCL來說，3.02 μm的發射波長是顯示連續波運行的短波長。

圖3. 3-4 μm波長範圍內(nei) QCL的P-I-V性能

4. λ~6-10 μm的寬帶QCL

在5 ~ 11 μm的光譜範圍內(nei) ，尤其富含NO、CH4、N2O、CO2、NH3等氣體(ti) 的吸收譜線。要實現全範圍的中紅外光譜，需要一個(ge) 廣泛可調的源，光譜中沒有任何間隙。這可以通過級聯多個(ge) QCL核芯，即異質有源結構[27]，在不同波長的峰值增益，形成一個(ge) 寬闊平坦的增益光譜，其中單個(ge) 波長可以通過光反饋機製選擇。在此之前，活性區域被設計在晶格匹配的Al0.48In0.52As/Ga0.47In0.53As中，這樣就可以在沒有應變鬆弛[28]的情況下生長由許多核組成的非常厚的寬帶結構。雖然這能成功實現的較長波長發射，但在較短的波長晶格匹配QCL性能惡化[4]。應變平衡結構可以解決(jue) 這一問題，但由於(yu) 阱和勢壘寬度的不同，應變水平和材料組成通常隨發射波長而變化。在標準MBE反應器中，通過改變積液細胞溫度來動態地改變單個(ge) 生長過程中的組分，將導致生長速率和組分的不確定性。這將導致單個(ge) 核的發射波長的不確定性，阻礙實現無間隙的寬發射光譜。因此，如果在所有波長都能保持高效率，那麽(me) 寬頻帶QCL中所有核心的材料組成都保持恒定的替代設計方案是可取的。

為(wei) 了解決(jue) 這一問題，提出了一種新的設計方法，在保持高應變Al0.63In0.37As/Ga0.35In0.65As組成不變的情況下，利用Ga0.35In0.65As/Ga0.47In0.53As[29]複合孔來調節結構中的淨應變。對於(yu) 具有合理通量穩定性的MBE係統，在需要校準之前，可以在不同波長設計多個(ge) QCL晶片。這大大減少了QCL生長設備的時間和精力，從(cong) 而降低了每片晶圓的成本。

圖4 (a)為(wei) 6核級聯的異構寬帶量子級聯激光QCL的示意圖。根據應變平衡相似的Al0.63In0.37As/Ga0.35In0.65As/Ga0.47In0.53As超晶格進行優(you) 化，如圖4(b)所示。對於(yu) 5.2、6.7、8.2、9.1、11 μm，壁麵塞效率分別為(wei) 18.4%、15.7%、15.4%、13.2%、4.8%;剛超過閾值的激光器的EL和發射光譜如圖5(a)所示。觀測到的輻射範圍為(wei) 1014 cm−1，這使得它們(men) 適合集成到異質寬帶激光器中。

圖4. (a)異構寬帶QCL原理圖。(b) 8.2μm QCL的結構

圖5. (a)分離孔QCL的電致發光和激光發射光譜。(b) EL和DFB光譜，以及寬帶QCL的DFB閾值電流密度

設計了一個(ge) 含6個(ge) 優(you) 化子核的非均相QCL活性區，其輻射範圍為(wei) 6 ~ 10 μm。所有子核心均基於(yu) 相似的複合井方案。首次嚐試得到5.9 ~10 μm的單模DFB發射(圖5(b))。雖然在子峰之間增益不足，但可以通過改變子核的發射級數、相對排列方式和發射波長來解決(jue) ，從(cong) 而實現扁平增益。

5. 波長靈活量子級聯激光器

量子級聯激光器是光譜學研究的有力工具。廣泛的光譜覆蓋，結合窄線寬輸出和高功率使廣泛的国产成人在线观看免费网站，包括光聲和對峙光譜。然而，傳(chuan) 統的窄線寬QCL的調諧範圍隻有~5 cm−1，這通常限製了對單一類型分子的檢測。外腔技術可以顯著擴大調諧範圍，但光學精度的要求，該係統對機械振動的敏感性，以及大光柵質量限製掃描速度限製了技術的潛力。

作為(wei) 一種替代方案，我們(men) 采用采樣光柵分布反饋(SGDFB)技術對QCL進行完全單片電子調諧(圖6(a))[30]。類似的技術是為(wei) 電信開發的，由我們(men) 的團隊国产成人在线观看免费网站於(yu) 量子級聯激光器。在SGDFB激光器中，采樣周期不同的兩(liang) 個(ge) 采樣光柵段合並在同一波導中。改變電流密度在一個(ge) 區域相對於(yu) 另一個(ge) (ΔJ)通過遊標效應改變發射波長。原則上，一個(ge) 大的(>10 ×)調諧範圍增強是可能的標準單模激光器適當的設計。

圖6. (a) SGDFB幾何結構示意圖。

(b)在單個(ge) 晶片上使用不同光柵周期的離散SGDFB激光器實現光譜覆蓋

製備了前後段長度分別為(wei) ~1.6 mm和~1.4 mm的SGDFB QCL。兩(liang) 部分均采用30周期光柵，采樣3次，其中光柵周期為(wei) 753 nm。該晶片被加工成脊寬為(wei) 10 μ m的雙通道脊波導，並被切割成腔長為(wei) 3 mm的器件。單模調諧超過50 cm−1達到閾值以上是通過增加某部分的電流實現的。這比一個(ge) 簡單的DFB激光器的電調諧增加了5-10倍。在調諧範圍內(nei) ，在RT下可以獲得超過100 mW的連續波功率，平均SMSR為(wei) 24 dB。

SGDFB運行在增益峰值附近實現後，下一個(ge) 領域是在給定的晶圓上可達到的整體(ti) 光譜範圍。用於(yu) SGDFB實驗的激光增益區域在室溫下的電致發光全半寬(FWHM)為(wei) 400 cm−1。在增益峰中心附近僅(jin) 探測到約120 cm−1。然而，證明一個(ge) 遠離增益峰值的單模激光器是比較困難的，因為(wei) 我們(men) 必須為(wei) 腔超模(遠離增益峰值)提供足夠的增益，同時抑製自然的法布裏-珀羅(FP)振蕩(在增益峰值)。

隨著抗反射(AR)塗層的国产成人在线观看免费网站(兩(liang) 個(ge) 方麵均為(wei) 10%)，SGDFB技術允許離散激光在單個(ge) 晶片上發射超過寬光譜範圍的激光。為(wei) 了補償(chang) 這種減少的反饋，每個(ge) 采樣周期的光柵周期數增加到60。為(wei) 了確定該設計的全光譜範圍，圖6(b)中顯示了光柵周期為(wei) 695、753和825 nm的Ng = 60激光器的額外測試。脈衝(chong) 閾值電流範圍從(cong) 增益峰值附近的0.6 A到光譜覆蓋極限的0.9 A。一個(ge) 類似的單間隔調諧範圍(16厘米−1)被證明為(wei) 所有三激光器。總的來說，對於(yu) 這種SGDFB設計，超過800 nm (351 cm−1)可以通過單模行為(wei) 訪問。Λ = 753 nm激光器的峰值功率級別在其調諧範圍[31]範圍內(nei) 從(cong) 380到1200 mW。

使用光柵結構，單個(ge) SGDFB激光器的調諧範圍也得到了進一步的探索。主要的挑戰是克服增益曲線的峰值特性。這是通過修改激光腔內(nei) 的衍射反饋來部分補償(chang) 增益光譜的曲率來實現的。為(wei) 此采用了數字級聯光柵(DCG)。DCG由多個(ge) 采樣光柵(在本例中為(wei) 2個(ge) )組成，這些光柵具有不同的布拉格波長和相同的采樣周期。該結構的原理圖和實驗實現如圖7所示。

圖7. (a)數字級聯光柵和蝕刻雙光柵試件的斜像示意圖。

(b)從(cong) 室溫下工作的可調諧DCG-SCGDFB中選擇的發射光譜

為(wei) 了實驗實現廣泛的電調諧，使用DCG-SGDFB設計原理製造了激光器。雙采樣光柵的周期為(wei) Λ1 = 670和Λ2 = 920 nm，以覆蓋寬光譜範圍。為(wei) 了提供更大的調諧範圍和足夠的反饋，顯著減少了每個(ge) 采樣周期的光柵周期數(每個(ge) 光柵周期4個(ge) )，增加了采樣周期數(每個(ge) 截麵25個(ge) )。共用AR塗層製備了9毫米腔體(ti) 。這種方法確實被證明是成功的，允許在λ = 4.6 μm[32]附近的單個(ge) 激光器調諧高達243cm−1。

SGDFB QCL技術目前正在探索更廣泛的調優(you) 範圍。每台激光器具有~200 cm−1或更高的調諧，小格式SGDFB陣列具有覆蓋極寬光譜區域的潛力。主要的限製是激光本身的增益帶寬。利用寬帶實現更寬的調諧激光係統，異質激光器目前正在開發中。

6. 用於(yu) 寬電調諧的具有片上波束組合的QCL 

演示的寬波長覆蓋5.9- 10 μm的寬帶QCL代表著向緊湊和廣泛可調諧的中紅外激光器源係統邁出的重要一步。下一步是建立一個(ge) 合適的調諧係統來訪問這個(ge) 廣泛的波長範圍。雖然外部腔QCL已經能夠覆蓋432cm−1調諧，從(cong) 7.6- 11.4 μm[28]，而DFB QCL陣列已經顯示覆蓋約100 cm−1[33]，這兩(liang) 種調諧係統都是複雜的，並依賴額外的光學元件來進行調諧或光束組合。由於(yu) DFB陣列中的每個(ge) 元素隻能在幾cm−1的小範圍內(nei) 進行調整，因此陣列的大小可以大得令人望而卻步，以覆蓋數百cm−1的範圍。采用采樣光柵分布反饋(SGDFB) QCL作為(wei) 可調諧激光陣列的元件，在相同調諧範圍內(nei) 可顯著減少陣列元件的數量。此外，由於(yu) 元件的數量較少，可以集成一個(ge) 片上波束合成器，將來自不同SGDFB激光器的信號傳(chuan) 送到單個(ge) 輸出通道。一個(ge) 用於(yu) QCL的片上波束合成器的功能已經通過一個(ge) 用於(yu) 功率縮放的樹陣列合成器得到了證明。

在我們(men) 的工作中，我們(men) 展示了D1個(ge) 可調諧QCL陣列與(yu) 片上波束合成器。激光源能夠訪問181.7cm−1的無間隙調諧範圍，覆蓋的波長範圍從(cong) 6.73到7.66 μm[35]。可調QCL陣列由8個(ge) 帶有波束組合器的雙截麵SGDFB QCL組成，如圖8所示。合成器部分包含7個(ge) 相同的二合一合成器，以樹狀陣列的方式將8個(ge) 激光輸入輸出到單個(ge) 輸出。一個(ge) 普通激光器和合成器部分的兩(liang) 個(ge) 部分可以獨立偏置以供設備操作。總觸點數為(wei) 17，不包括共享底部觸點。

圖8. (a)三截麵QCL源的原理圖，其中包括8個(ge) SGDFB激光器和一個(ge) 樹陣列光束組合器截麵。

(b)激光結構和三截麵獨立偏置方案

在工作狀態下，可以將合成器部分偏置為(wei) 光放大器，從(cong) 而在補償(chang) 分光損耗的同時實現高功率輸出。優(you) 化組合器以提高放大效率和光束質量目前正在研究中。一旦這種技術被国产成人在线观看免费网站到具有寬和麵增益介質的激光器上，預計將會(hui) 出現一個(ge) 單片、廣泛可調的QCL源。

7. 基於(yu) 中紅外QCL的 DFG的太赫茲(zi) 源

太赫茲(zi) 光譜範圍(1-10太赫茲(zi) )對於(yu) 爆炸物和藥物檢測、安全篩查(t射線成像)、天文學和醫學成像等国产成人在线观看免费网站非常有趣。其中許多国产成人在线观看免费网站程序有可能影響並維護我們(men) 的日常生活，因此，對普通公眾(zhong) 和行業(ye) 有巨大的吸引力。正如電信技術在過去30年裏所證明的那樣，單片集成是推動太赫茲(zi) 技術接近理想來源的合乎邏輯的下一步。晶圓規模的加工允許大規模生產(chan) ，高產(chan) 量和低成本。為(wei) 此，組件和集成技術的開發都是至關(guan) 重要的。

一個(ge) 有前途的平台是基於(yu) InP的內(nei) 腔差分頻率產(chan) 生，使用中紅外量子級聯激光器(QCLs)[36-38]。該技術利用設計的子帶間非線性磁化率(χ(2))的雙頻泵浦激光器在單個(ge) 波導內(nei) 產(chan) 生窄線寬太赫茲(zi) 輻射。除了提供豐(feng) 富的美麗(li) 的物理研究，這種技術允許緊湊，室溫操作在廣泛的光譜範圍。我們(men) 的團隊利用的QCL技術，在以下四個(ge) 方麵取得了穩步的進展:穩定的太赫茲(zi) 頻率發射;太赫茲(zi) 高權力;連續波操作;和寬頻率的可行性[39]。

在典型的Fabry-Pérot (FP)多模腔中，光強在不同的中紅外頻率之間擴散，總功率是許多小Wi分量的總和。因此，国产欧美在线WiWj將是小的，而太赫茲(zi) 光譜將相當寬(Δv ~0.5-1 THz)。為(wei) 了對太赫茲(zi) 光譜進行提純和調諧，需要將所有的中紅外功率集中在兩(liang) 個(ge) 單模工作的中紅外頻率上，並且它們(men) 的頻率位置需要可控和可調。達到這一目的直接的方法是使用具有兩(liang) 個(ge) 波長分量的複合DFB光柵，如圖9(a)所示，對中紅外光譜以及太赫茲(zi) 光譜進行提純和調諧。利用該技術，在4.1 THz範圍內(nei) ，在不同的電流和溫度下，首次實現了穩定的頻率輸出和窄線寬的室溫單模THz發射。這為(wei) 我們(men) 接下來的工作奠定了基礎，單模太赫茲(zi) 發射是我們(men) 的太赫茲(zi) 源的共同特征。

圖9. (a)兩(liang) 個(ge) 波長分量的複合DFB光柵(下半部分)及其傅裏葉變換(上半部分)。

(b) Čerenkov相位匹配示意圖(上半部分)和上向下安裝的太赫茲(zi) 器件示意圖(下半部分)

基於(yu) DFG的D1代太赫茲(zi) QCL源的有源區設計采用雙核結構，兩(liang) 個(ge) 波長采用雙聲子共振(DPR)和束縛-連續體(ti) (BTC)衰減方案。然而，隻有BTC核心設計了一個(ge) 巨大的非線性磁化率，而DPR核心僅(jin) 作為(wei) 一個(ge) 低THz產(chan) 生的中紅外源[36,37]。為(wei) 了改善非線性THz轉換，第二代THz源采用雙核結構，采用兩(liang) 種單聲子共振(SPR)設計，並在1-5 THz範圍[40]中設計了一個(ge) 巨大的χ(2)。為(wei) 了探索該設計的寬帶太赫茲(zi) 產(chan) 生，采用模態相位匹配方案製作了10個(ge) 複合DFB器件陣列，實現了3.3 ~ 4.6 THz的太赫茲(zi) 階躍調諧。

具有模態相位匹配方案的波導由於(yu) 在n摻雜InP襯底中具有高的自由職業(ye) 吸收而具有很高的損耗。由於(yu) 在太赫茲(zi) 範圍內(nei) 相對於(yu) 中紅外指數(nmidir)有更快的頻率依賴有效指數，模態相位匹配隻能在相對較窄的頻率範圍內(nei) 滿足。為(wei) 了克服這一限製，可以用半絕緣的InP襯底代替有損耗的襯底，並使用Čerenkov相位匹配方案從(cong) 腔中提取THz光，如圖9(b)[41,42]所示。在Čerenkov構型中，QCL有源區的THz指數(nTHz)高於(yu) 中紅外指數，因此基波中紅外波的傳(chuan) 播速度快於(yu) DFG太赫茲(zi) 波。這種相位匹配方案，加上複合DFB陣列設計，允許產(chan) 生寬範圍的單模太赫茲(zi) ，即達到1.0至4.6太赫茲(zi) (圖10(c))。

圖10. 室溫下高峰值功率(a)、連續波工作(b)和寬範圍頻率維持(c)的太赫茲(zi) QCL源的發展

盡管光譜覆蓋範圍很廣，太赫茲(zi) 功率有限，僅(jin) 為(wei) 數十μW量級。這是由於(yu) 貼膜向上安裝和350 μm厚的基片導致的較差的散熱機製，以及由於(yu) 通過底部接觸層的單側(ce) 電流注入而導致的低效電流注入方案。為(wei) 了解決(jue) 這些問題，我們(men) 使用了如圖9(b)所示的雙側(ce) 電流注入方案，將Čerenkov裝置安裝在一個(ge) 有圖案的子座上，並演示了高達0.22 mW的太赫茲(zi) 峰值功率。這種下壓式安裝策略，對於(yu) 麵積更大的器件，熱積累大大減輕。因此，脈衝(chong) 模式下的太赫茲(zi) 峰值功率可以通過中紅外功率積和轉換效率顯著提高，通過使用這種技術，THz峰值功率高達1.9 mW，轉換效率為(wei) 0.8 mW/W2，如圖10(a)[44]所示。這裏和之後，測量的太赫茲(zi) 功率沒有校正任何收集效率，因為(wei) 在測試設置中提高了收集效率。該設備的WPE達到0.7 × 10−5。進一步擴大THz功率與(yu) 廣域波導設計[45]應該能夠顯著提高功率和效率。

連續太赫茲(zi) 在室溫下的工作能力對其廣泛国产成人在线观看免费网站和商業(ye) 化具有重要的意義(yi) 。通過采用埋地複合DFB光柵和埋地脊波導降低波導損耗，我們(men) 展示了D1個(ge) 3.6 THz、功率為(wei) 3 μW的室溫連續波THz QCL源(圖10(b))，並采用向下安裝方案[46]。在連續波運行下，太赫茲(zi) 功率有望通過更好的有源區設計和增長，以及設計出更高效率的外耦合方案來提高。

上麵的演示是具有幾乎固定的太赫茲(zi) 頻率輸出的單模太赫茲(zi) 發射。對於(yu) 大多數太赫茲(zi) 技術的国产成人在线观看免费网站，一個(ge) 緊湊的太赫茲(zi) 源覆蓋整個(ge) 1-5THz頻率範圍是非常需要的。為(wei) 此，我們(men) 使用多截麵SGDFB-DBR波導幾何結構[47]，展示了一種廣泛的電調諧室溫太赫茲(zi) 光源，其連續頻率調諧範圍為(wei) 2.6-4.2THz。該器件由兩(liang) 個(ge) SGDFB部分和一個(ge) DBR部分組成，三個(ge) 部分之間有兩(liang) 個(ge) 100 μm的隔離通道。兩(liang) 個(ge) SGDFB部分国产成人在线观看免费网站不同的直流電流，獲得160-180 GHz的寬範圍太赫茲(zi) 步長調諧。為(wei) 了橋接頻率階躍，在DBR部分国产成人在线观看免费网站不同的直流電流來實現準連續調諧。

目前的實施是一個(ge) 良好的開始，理論預測實現更大範圍內(nei) 的更高功率是可能的。隨著進一步的發展，這一便攜式平台終有一天會(hui) 成為(wei) 多種太赫茲(zi) 研究課題和国产成人在线观看免费网站的實現技術。

8. 結論

量子級聯激光器經過近二十年的巨大發展，正在成為(wei) 中紅外和太赫茲(zi) 頻率範圍內(nei) 的半導體(ti) 激光源。特別是近年來在3 ~ 5 μm波長範圍內(nei) 的高功率、高效率QCL、麵發射環腔QCL、高功率β型分布反饋QCL、寬光譜範圍3 ~ 12 μm的寬帶QCL、基於(yu) 雙截麵采樣光柵設計的波長靈活QCL、用於(yu) 控製光束質量的寬範圍電調諧的片上QCL波束合成器以及基於(yu) 差頻產(chan) 生的高性能室溫太赫茲(zi) QCL源，正將QCL技術推向新的研究前沿。隨著該技術的進一步發展，許多新的基於(yu) QCL的国产成人在线观看免费网站可能會(hui) 在不久的將來出現。

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