量子級聯(lián)激光器原理與研究進(jìn)展

宋亞峰

【摘 要】量子級聯(lián)激光器在中遠(yuǎn)紅外激光器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，本文總結(jié)與探討了量子級聯(lián)激光器的基本原理及特點(diǎn)，發(fā)展歷程中的各種問題的解決及研究進(jìn)展，最后又簡單總結(jié)了太赫茲量子級聯(lián)激光器的發(fā)展情況。盡管Q CL已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，但距離室溫應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。

【關(guān)鍵詞】量子級聯(lián)激光器； Q CL； 太赫茲

1 概述

量子級聯(lián)激光器（QCL）是一種基于子帶間電子躍遷的中紅外波段新型單極半導(dǎo)體器件，其工作原理是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿，與通常的半導(dǎo)體激光器截然不同。

不同於傳統(tǒng)p- n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，QCL受激輻射過程只有電子參與，激射波長的選擇可通過有源區(qū)的勢阱和勢壘的能帶裁剪實(shí)現(xiàn)。量子級聯(lián)激光器開創(chuàng)了中、遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體激光器的先河。因此，它在紅外通信、遠(yuǎn)距離探測、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過程監(jiān)測、分子光譜研究、無損傷醫(yī)學(xué)診斷等方面具有很大的應(yīng)用前景。

2 基本原理及特點(diǎn)

與常規(guī)半導(dǎo)體激光器相比，其量子級聯(lián)激光器特點(diǎn)是多方面的。主要包括：

（1）電子利用效率高。同一個(gè)電子可以重復(fù)利用，順序產(chǎn)生光子，理論上一個(gè)電子可以產(chǎn)生與級數(shù)相同的光子數(shù)，內(nèi)量子效率會很高。

（2）中遠(yuǎn)紅外波段且波長可調(diào)。決定QCL激射波長的子帶間距可通過半導(dǎo)體“能帶工程”進(jìn)行調(diào)節(jié)。如改變量子阱或壘的厚度，材料的組分，外加偏壓等；理論計(jì)算可以通過自洽求解薛定謬方程和泊松方程，蒙特卡洛法等方法設(shè)計(jì)和優(yōu)化；而實(shí)際器件的性能除了和這些設(shè)計(jì)參數(shù)密切相關(guān)外，還和實(shí)際生長的材料的質(zhì)量、界面的陡峭程度，生長速率、摻雜等控制效果等密切相關(guān)。

由于不需要考慮空穴的情況，而且激射波長可以隨材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而隨意可調(diào)，甚至通過人為的設(shè)計(jì)理論上量子級聯(lián)激光器的波長可以覆蓋中遠(yuǎn)紅外的全部波長。大大避免了常規(guī)的半導(dǎo)體激光器導(dǎo)帶價(jià)帶間電子-空穴復(fù)合時(shí)激射波長主要受材料禁帶寬度限制的很大的局限性。

（3）增益譜窄。 由于載流子躍遷的始態(tài)和終態(tài)具有相同曲率，所以增益譜窄。

（4）量子級聯(lián)激光器的閾值電流和光譜線寬對溫度改變不敏感。這也是由

于QCL 子帶間躍遷的基本特性所決定的。常規(guī)半導(dǎo)體激光器中參與躍遷的電子

和空穴分布在一定的能量范圍內(nèi)，且分布是對溫度敏感的，在長波長，增強(qiáng)的俄

歇效應(yīng)限制了常規(guī)半導(dǎo)體激光器的高溫運(yùn)行。而QCL幾近平行的子帶不易產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，所以在理論上對溫度不敏感。

3 發(fā)展歷程中的各種問題的解決及研究進(jìn)展

早在1971年，前蘇聯(lián)Ioffe物理研究所的Kazarinov和Suris[1]共同提出了利用偏壓下電子通過一系列量子阱的光子輔助量子隧穿實(shí)現(xiàn)光增益的創(chuàng)新思想，為產(chǎn)生中遠(yuǎn)紅外光的半導(dǎo)體激光器——量子級聯(lián)激光器提供了理論雛形。

1994年J. Faist ，F(xiàn)ederico Capasso和同事卓以和等人利用分子束外延技術(shù)的突破，在貝爾實(shí)驗(yàn)室率先發(fā)明世界上第一支量子級聯(lián)激光器[2] 被視為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一次革命。脈沖（20 ns，0.1%）條件下，10 K時(shí)的激射波長是 4.26 μm，光輸出峰值功率 8.5 mW，閾值電流密度 11 kA/cm2，最高工作溫度可達(dá)約90 K。

典型的量子級聯(lián)激光器主要有注入?yún)^(qū)、有源區(qū)和弛豫區(qū)。要使激光器工作必須至少滿足一個(gè)條件，就是器件的增益一定要大于損耗. 要使器件產(chǎn)生增益，必須實(shí)現(xiàn)高能級對于低能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而要降低損耗，就要使用好的波導(dǎo)設(shè)計(jì).

（1）有源區(qū)設(shè)計(jì)：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

1994年的世界上第一支QCL[2]，其有源區(qū)是由與InP襯底晶格常數(shù)匹配的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As 材料組成，有源區(qū)采用三阱耦合斜躍遷方式，這種躍遷方式限制了激光器的性能，導(dǎo)致其只能在低溫下工作。

后來人們針對粒子數(shù)反轉(zhuǎn)問題， 做了各種的改進(jìn)，從最開始的啁啾超晶格結(jié)構(gòu)[3，4]， 束縛態(tài)向連續(xù)態(tài)躍遷[5]， 到后來的共振聲子結(jié)構(gòu)[6]。

（2）波導(dǎo)設(shè)計(jì)

提高波導(dǎo)的限制因子和降低波導(dǎo)損失可以有效地降低器件的閾值增益，從而提高激光器的性能.

QCL波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有等離子波導(dǎo)、半絕緣表面等離子波導(dǎo)以及雙面金屬波導(dǎo)等。世界上第一支QCL采用的是雙面金屬波導(dǎo)[2]。

量子級聯(lián)激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型的有Fabry- Pérot腔型、分布反饋（DFB）型，此外還有許多新穎的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如回音壁模式微腔結(jié)構(gòu)、脊側(cè)壁光柵波導(dǎo)、樹形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)和不同的應(yīng)用前景，但新結(jié)構(gòu)同時(shí)也對半導(dǎo)體微納加工工藝提出了更為嚴(yán)格苛刻的要求。

基于以上兩大方面的考慮，人們不斷設(shè)計(jì)改進(jìn)并制成了各種類型的量子級聯(lián)激光器，并不斷提高了其各項(xiàng)重要參數(shù)。

2000年，我國科學(xué)家李愛珍（現(xiàn)任美國科學(xué)院院士）的課題組在亞洲率先研制出5至8微米波段半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器，從而使中國進(jìn)入了掌握此類激光器研制技術(shù)的國家行列。

2004 年P(guān)age 等人將GaAs 基量子級聯(lián)激光器的連續(xù)工作溫度提高到50K[7]。

2009年，瑞士的 Giacomo Scalari等人通過合理設(shè)計(jì)Al0.03Ga0.97As階梯阱的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了3THz的量子級聯(lián)激光器，脈沖模式下最高工作溫度達(dá)到123 K，閾值電流較低110 A/cm2 @ 10 K和 175 A/cm2 @ 100 K. 。[8]

2011年，上海微系統(tǒng)所曹俊誠課題組采用蒙特卡洛方法，研究了注入耦合強(qiáng)度對THz QCL器件性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于3.7- THz QCL來說，可以找到一個(gè)優(yōu)化的注入耦合強(qiáng)度參數(shù)，即7.5 meV。在該優(yōu)化參數(shù)條件下，模擬得到的動態(tài)激射范圍以及峰值增益都取得了最大值。將該優(yōu)化參數(shù)應(yīng)用到有源區(qū)設(shè)計(jì)上將有望實(shí)現(xiàn)更高性能的THz QCL器件。[9]

美國西北大學(xué)的Razeghi 小組，他們研制的量子級聯(lián)激光器器件的關(guān)鍵性能和指標(biāo)都處于世界領(lǐng)先水平，例如他們在2011 年報(bào)道了激射波長為4. 6 μm的法布里-珀羅量子級聯(lián)激光器，室溫連續(xù)工作最高功率為5 W，是迄今為止最高輸出功率[10]。同年他們報(bào)道了激射波長為4. 6 μm 的分布反饋量子級聯(lián)激光器，室溫連續(xù)工作最高功率為2. 4 W

2012年，美國西北大學(xué)的Manijeh Razeghi和她的團(tuán)隊(duì)再一次刷新了量子級聯(lián)激光器（QCL）技術(shù)，這次通過與表面柵板分布反饋（DFB）部分之間創(chuàng)立一個(gè)斜角，能夠?qū)⒏哔|(zhì)量光束（與純單側(cè)面模式接近）和高功率相結(jié)合。原型的輸出波長為10.4 um，功率大于6W，衍射低，光質(zhì)量高。[11]

值得一提的是，盡管太赫茲量子級聯(lián)激光器的室溫應(yīng)用大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有一段距離，但2013年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過努力探索，制備成功并已經(jīng)推出太赫茲量子級聯(lián)激光器系列產(chǎn)品，頻率覆蓋2.9～3.3 THz，工作溫度10～90 K，功率5～120mW。

4 太赫茲量子級聯(lián)激光器

太赫茲（THz）波[1—5]是指頻率從100 GHz 到10THz，相應(yīng)波長從3mm 到30μm 范圍內(nèi)，介于毫米波與紅外光之間的電磁波，也被稱為T - 射線. 從物理學(xué)看，THz 波處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū).太赫茲技術(shù)涉及電磁學(xué)、光電子學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、材料科學(xué)以及微加工技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，它在信息科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值.

太赫茲量子級聯(lián)激光器（THzQCL）作為非常重要的一種太赫茲源，它和中紅外量子級聯(lián)激光器的工作原理是一樣的.

2002年Nature報(bào)道了由意大利和英國合作研制的世界上第一個(gè)太赫茲量子級聯(lián)激光器[12]，其激射頻率為4.4THz，在溫度為8 K時(shí)，器件的輸出功率可以達(dá)到2 mW，對應(yīng)的閾值電流為290 A/cm2。

但由于太赫茲波段的特殊性，太赫茲QCL比一般的QCL設(shè)計(jì)起來難度要更大。例如，由于THz QCL發(fā)射出的光子能量對應(yīng)于導(dǎo)帶子帶間的能量差， 而這個(gè)能量差要小于一個(gè)極化光學(xué)聲子的能量， 電子與極化光學(xué)聲子的散射被抑止， 很難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).[13]

5 總結(jié)

總之量子級聯(lián)激光器在中遠(yuǎn)紅外激光器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，本文總結(jié)與探討了量子級聯(lián)激光器的基本原理及特點(diǎn)，發(fā)展歷程中的各種問題的解決及研究進(jìn)展，最后又簡單總結(jié)了太赫茲量子級聯(lián)激光器的發(fā)展情況。盡管QCL已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，但距離室溫應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。

（本文被上海市青年教師資助計(jì)劃項(xiàng)目（編號14AZ12）資助以及被上海電機(jī)學(xué)院學(xué)科基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目（物理電子學(xué) 學(xué)科編號12XKJC01）支持。）

參考文獻(xiàn)：

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