中遠(yuǎn)紅外高功率量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)研究進(jìn)展*

楊 超，高志強(qiáng)，張宇露，黃 彥，史 青，彭泳卿

中遠(yuǎn)紅外高功率量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)研究進(jìn)展*

楊 超，高志強(qiáng)，張宇露，黃 彥，史 青，彭泳卿

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

量子級(jí)聯(lián)激光器具有體積小，重量輕，波長(zhǎng)可調(diào)諧，以及光源能夠覆蓋中遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段等特點(diǎn)，使其在痕量氣體檢測(cè)、定向紅外對(duì)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(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器問(wèn)世以來(lái)，大功率、高電光效率以及室溫下連續(xù)工作的量子級(jí)聯(lián)激光器一直是人們追求的目標(biāo)。首先介紹了量子級(jí)聯(lián)激光器的有源層設(shè)計(jì)、波導(dǎo)設(shè)計(jì)和器件散熱設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展；其次重點(diǎn)討論了4 μm～5 μm中波紅外和8 μm～12 μm長(zhǎng)波紅外高功率室溫下連續(xù)量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展和演變、以及大功率脈沖量子級(jí)聯(lián)激光器研究情況；最后簡(jiǎn)要介紹了大功率量子級(jí)聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)。

中遠(yuǎn)紅外；高功率；量子級(jí)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(gè)分別在中波紅外（3 μm～5 μm）和長(zhǎng)波紅外（8 μm～12 μm）的大氣透過(guò)窗口，因此中波和長(zhǎng)波紅外光源在痕量氣體檢測(cè)、定向紅外對(duì)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(jí)聯(lián)激光器以及量子級(jí)聯(lián)激光器等。作為半導(dǎo)體激光器，量子級(jí)聯(lián)激光器具有體積小、重量輕、能效高、波長(zhǎng)可調(diào)諧等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為中遠(yuǎn)紅外乃至太赫茲波段的重要的激光光源。量子級(jí)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(guó)Bell實(shí)驗(yàn)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(jí)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(jí)位置以及電子的波函數(shù)分布。通過(guò)對(duì)超晶格或耦合量子阱的厚度和組分的調(diào)控，量子級(jí)聯(lián)激光器的激射波長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器在遠(yuǎn)距離有害物和爆炸物探測(cè)、遙感、紅外對(duì)抗以及遠(yuǎn)距離自由空間通訊等領(lǐng)域有著重要的價(jià)值和意義。因此，在過(guò)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(guò)在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料外延生長(zhǎng)技術(shù)以及器件加工技術(shù)三個(gè)方面持續(xù)地改進(jìn)，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(jí)聯(lián)激光器被不斷研制出來(lái)。2002年，瑞士的Beck等人報(bào)道了第一個(gè)室溫連續(xù)運(yùn)行的波長(zhǎng)在9.1 μm的量子級(jí)聯(lián)激光器，其輸出功率只有10 mW[5]。在這以后，激射波長(zhǎng)在3 μm～12 μm的瓦級(jí)輸出光功率的量子級(jí)聯(lián)激光器逐漸得以實(shí)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(jī)構(gòu)分布在美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)，包括美國(guó)西北大學(xué)，佛羅里達(dá)中部大學(xué)，美國(guó)Pranalytica公司，美國(guó)Daylight Solutions公司，瑞士Alpes Lasers公司，法國(guó)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(guó)的西北大學(xué)自從1997年開(kāi)始致力于發(fā)展量子級(jí)聯(lián)激光器以來(lái)，并逐漸達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。2020年，美國(guó)西北大學(xué)再次刷新了自己所保持的中波和長(zhǎng)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(shí)，在長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器的飛速發(fā)展，量子級(jí)聯(lián)激光器在民用和軍用領(lǐng)域已逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段并發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)。在自由空間光通信方面，美國(guó)和瑞士的研究人員已經(jīng)利用量子級(jí)聯(lián)激光器成功開(kāi)展了自由空間光通信相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離紅外激光通信[9, 10]。在氣體檢測(cè)方面，利用量子級(jí)聯(lián)激光器已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)室外環(huán)境、汽車(chē)尾氣、人體呼吸氣體的檢測(cè)，取得了高精度的檢測(cè)結(jié)果[11]。在紅外對(duì)抗方面，美國(guó)的Northrop Grumman公司和Daylight Solutions公司在美國(guó)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(jí)聯(lián)激光器，并已成功應(yīng)用在紅外對(duì)抗系統(tǒng)中[12]。相比之下，國(guó)內(nèi)的研究院所和企業(yè)也在不斷研發(fā)和跟進(jìn)，具有瓦級(jí)輸出功率的中波紅外和長(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器也被逐漸研發(fā)出來(lái)[12, 13]。

大功率量子級(jí)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(gè)方面考慮，包括有源區(qū)能帶和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有源層材料質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱管理，其中有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了量子級(jí)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(duì)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(jí)載流子熱逃逸影響）[6, 14, 15]。而對(duì)于長(zhǎng)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(diǎn)綜述中遠(yuǎn)紅外InP基高功率單管量子級(jí)聯(lián)激光器的研究情況。首先，介紹了量子級(jí)聯(lián)激光器的有源層設(shè)計(jì)、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件散熱設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展；其次，重點(diǎn)討論了中遠(yuǎn)紅外高功率室溫連續(xù)和脈沖單管量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展和演變；最后，簡(jiǎn)要介紹了大功率量子級(jí)聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)。

1 有源層設(shè)計(jì)

量子級(jí)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(shì)壘層的厚度可比于電子的德布羅意波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)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(yùn)動(dòng)將是量子化的，即產(chǎn)生了一套分離的子帶能級(jí)[17]。構(gòu)成量子級(jí)聯(lián)激光器有源層量子阱和勢(shì)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(zhǎng)波紅外領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)并已取得巨大成功。對(duì)于中波和長(zhǎng)波紅外大功率量子級(jí)聯(lián)激光器而言，所采用的材料體系主要是InGaAs/InAlAs/InP。

量子級(jí)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(gè)級(jí)聯(lián)周期包括了“Active region”，也稱(chēng)為有源區(qū)[20]、輻射區(qū)[19]、躍遷區(qū)[10]；以及“Injector region”，也稱(chēng)為注入?yún)^(qū)、弛豫區(qū)[19, 20]。電子從注入勢(shì)壘共振隧穿進(jìn)入有源區(qū)/輻射區(qū)的上能級(jí)，然后從上能級(jí)發(fā)生躍遷到下能級(jí)并產(chǎn)生光子，下能級(jí)的電子進(jìn)而通過(guò)出口勢(shì)壘進(jìn)入到弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)，然后經(jīng)過(guò)弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)勢(shì)壘的減速，再次進(jìn)入下個(gè)級(jí)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(lèi)推，這種不間斷階梯式的輻射和隧穿就是量子級(jí)聯(lián)激光器發(fā)光的核心。

圖1 量子級(jí)聯(lián)激光器的基本原理示意圖[19]

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

圖2進(jìn)一步給出了一種典型的量子級(jí)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(jì)思路。首先，電子經(jīng)過(guò)步驟①，從注入勢(shì)壘隧穿到有源區(qū)上能級(jí)E3。隨即經(jīng)過(guò)步驟②，電子從上能級(jí)E3躍遷到下能級(jí)E2，并發(fā)射光子；然后，電子再經(jīng)由步驟③從下能級(jí)E2躍遷到最低能級(jí)E1，并發(fā)射光學(xué)聲子；最后，在最低能級(jí)E1上的電子通過(guò)出口勢(shì)壘進(jìn)入到下一個(gè)注入?yún)^(qū)（步驟④）。

事實(shí)上，要經(jīng)過(guò)理想的步驟①～④需要對(duì)有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子的限制，滿(mǎn)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(shì)壘的設(shè)計(jì)。注入勢(shì)壘的厚度由“反交叉帶隙”的設(shè)計(jì)所決定，其代表了前一個(gè)注入?yún)^(qū)的基態(tài)能級(jí)和有源區(qū)上能級(jí)E3的耦合強(qiáng)度[18]。反交叉帶隙會(huì)直接影響隧穿時(shí)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(shì)壘的厚度不能太薄，因?yàn)樘〉淖⑷雱?shì)壘無(wú)法有效對(duì)熱電子進(jìn)行減速?gòu)亩蛊浒l(fā)生逃逸；另一方面，注入勢(shì)壘的厚度也不能太厚，因?yàn)檫^(guò)厚的注入勢(shì)壘會(huì)阻礙電子的隧穿效應(yīng)，從而使其難以到達(dá)有源區(qū)的上能級(jí)。

第二，上能級(jí)電子的限制。上能級(jí)電子的限制是阻礙量子級(jí)聯(lián)激光器問(wèn)世的瓶頸之一。由于上能級(jí)E3中的電子要比下能級(jí)E2中的電子具有更高的能量，所以上能級(jí)E3中的電子要比下能級(jí)E2中的電子具有更小的隧穿勢(shì)壘，這導(dǎo)致上能級(jí)E3中的電子更容易發(fā)生熱逃逸到寄生能級(jí)E4（步驟⑥）和連續(xù)能級(jí)EC（步驟⑦），或直接隧穿到下一個(gè)注入?yún)^(qū)（步驟⑤）而不是輻射躍遷到下能級(jí)E2。所以，對(duì)上能級(jí)電子的限制不僅要阻止其逃逸到其它寄生能級(jí)，還要阻止其直接隧穿到下一個(gè)注入?yún)^(qū)。對(duì)于前者，需要對(duì)有源區(qū)量子阱的厚度、組分以及數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jí)電子的熱逃逸[6]。對(duì)于后者，通過(guò)在下一個(gè)弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)引入“Bragg反射鏡”的設(shè)計(jì)思路，使得與有源區(qū)上能級(jí)毗連的下一個(gè)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(gè)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(jí)E3的電子數(shù)目要顯著多于下能級(jí)E2的電子數(shù)，此時(shí)，需要子帶能級(jí)E3到E2的散射時(shí)間大于子帶能級(jí)E2到E1的散射時(shí)間（τ32>τ21），以及能級(jí)E3的電子壽命大于能級(jí)E2的電子壽命（τ3>τ2）[21]。子帶能級(jí)間的躍遷時(shí)間常數(shù)會(huì)受到縱向光學(xué)聲子、縱向聲學(xué)聲子、合金無(wú)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(jí)E3躍遷到子帶能級(jí)E2通常有兩種方式：斜躍遷和垂直躍遷。

1994年Bell實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的第一個(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器即采用斜躍遷的模式，斜躍遷的特點(diǎn)是電子的輻射躍遷發(fā)生在兩個(gè)相鄰的量子阱中，也即需要穿過(guò)一個(gè)勢(shì)壘層。這個(gè)過(guò)程會(huì)減小躍遷的上能級(jí)和下能級(jí)態(tài)的波函數(shù)在實(shí)空間中的相互交疊，并伴隨著較大的動(dòng)量轉(zhuǎn)移[4]。斜躍遷的設(shè)計(jì)有效地獲得了相對(duì)較長(zhǎng)的輻射弛豫時(shí)間，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)得以實(shí)現(xiàn)[18]。然而，由于電子的斜躍遷要穿過(guò)異質(zhì)結(jié)界面，因而會(huì)受到界面粗糙度的強(qiáng)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(diǎn)是電子的輻射躍遷發(fā)生在同一個(gè)量子阱中，從而不需要穿過(guò)勢(shì)壘層。這個(gè)過(guò)程要求躍遷的上能級(jí)和下能級(jí)態(tài)的波函數(shù)要處在同一個(gè)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(guò)程不會(huì)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(shí)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(diǎn)，在大功率量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)的設(shè)計(jì)方面都有涉及。對(duì)于斜躍遷而言，其更適合長(zhǎng)波紅外激光器領(lǐng)域。輻射躍遷的另一個(gè)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(zhǎng)的單一性以及垂直還是斜躍遷[18, 24]，提供了上能級(jí)態(tài)和下能級(jí)態(tài)之間的光子躍遷強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)子帶能級(jí)位置和波函數(shù)的計(jì)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(qiáng)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(jí)對(duì)電子的抽運(yùn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要求E2到E1的散射時(shí)間τ21較短，并且需要快速將電子抽運(yùn)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(gè)能級(jí)E2和E1的能量間隔設(shè)置為一個(gè)縱向光學(xué)聲子的能量，這會(huì)導(dǎo)致下能級(jí)E2中的電子通過(guò)縱向光學(xué)聲子散射作用而迅速躍遷到E1能級(jí)，從而促進(jìn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[10, 21]。早期的單聲子共振設(shè)計(jì)以及經(jīng)典的雙聲子共振設(shè)計(jì)都是采用縱向光學(xué)聲子的設(shè)計(jì)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)下能級(jí)的迅速抽空。此外，上文提到的“Bragg反射鏡”的設(shè)計(jì)會(huì)在有源區(qū)下能級(jí)毗連的下一個(gè)弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)中下部形成“微帶”，即電子的通道，這進(jìn)一步促進(jìn)較低的能級(jí)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(shì)壘和毗連弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)的設(shè)計(jì)。

有源區(qū)右側(cè)的弛豫區(qū)/注入?yún)^(qū)的設(shè)計(jì)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(jí)E3中電子的直接隧穿，促進(jìn)較低能級(jí)E2和E1上電子的抽空和輸運(yùn)以及對(duì)熱電子進(jìn)行弛豫減速來(lái)進(jìn)入下一個(gè)有源區(qū)。此外，注入?yún)^(qū)的某些層還需要進(jìn)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(kù)”來(lái)提供穩(wěn)定輸運(yùn)的電子。注入?yún)^(qū)通常需要設(shè)計(jì)為梯度帶隙超晶格，從而促進(jìn)微帶形成[10,13]。通過(guò)設(shè)計(jì)注入?yún)^(qū)滿(mǎn)足布拉格反射條件來(lái)抑制上能級(jí)E3中電子的隧穿逃逸，同時(shí)，由于注入?yún)^(qū)微帶的形成又可以促進(jìn)下能級(jí)電子的抽空和輸運(yùn)。注入?yún)^(qū)朝向下一個(gè)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(gè)漏斗的形狀，這樣可以有力促進(jìn)注入?yún)^(qū)基態(tài)的電子隧穿注入到下一個(gè)級(jí)聯(lián)周期有源區(qū)的上能級(jí)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(jì)思路是量子級(jí)聯(lián)激光器能夠?qū)崿F(xiàn)室溫下工作的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一[25]。微帶的漏斗設(shè)計(jì)構(gòu)型需要將有源區(qū)右側(cè)朝向下一個(gè)周期的注入?yún)^(qū)/弛豫區(qū)的量子阱厚度設(shè)計(jì)為單調(diào)減小。

勢(shì)壘厚度則是除了出口勢(shì)壘以外都單調(diào)增加[18]。出口勢(shì)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(duì)電子的輸運(yùn)起著重要的作用。出口勢(shì)壘不能過(guò)厚，否則從有源區(qū)到注入?yún)^(qū)的電子傳輸時(shí)間會(huì)很慢；出口勢(shì)壘也不能過(guò)薄，否則在有源區(qū)和注入?yún)^(qū)之間的波函數(shù)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈耦合。需要精心設(shè)計(jì)在注入?yún)^(qū)出口勢(shì)壘一側(cè)的量子阱和勢(shì)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(jí)E2的更低能級(jí)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(jí)E2）的現(xiàn)象稱(chēng)之為電子的熱回填（步驟⑧）[6]。熱回填會(huì)阻礙下能級(jí)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(guò)增加電壓缺陷的設(shè)計(jì)來(lái)抑制，電壓缺陷定義為有源區(qū)中較低的激射能級(jí)和隨后注入?yún)^(qū)中最低基態(tài)能級(jí)之間的能量間隔。但是，增加電壓缺陷會(huì)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(lái)折中熱回填和電壓效率，從而獲得最優(yōu)的量子級(jí)聯(lián)激光器的性能。對(duì)于高性能的量子級(jí)聯(lián)激光器而言，電壓缺陷通常被設(shè)計(jì)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(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)值求解問(wèn)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(jì)算的非平衡格林函數(shù)方法[26]。其中速率方程模型較為簡(jiǎn)單，計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確，因此被廣泛使用來(lái)開(kāi)發(fā)高性能的量子級(jí)聯(lián)激光器。載流子通過(guò)每個(gè)周期的有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的傳輸可通過(guò)不同子帶能級(jí)間的散射速率來(lái)描述，而載流子從注入?yún)^(qū)基態(tài)能級(jí)注入到下一個(gè)有源區(qū)的隧穿過(guò)程則通過(guò)使用密度矩陣方法來(lái)進(jìn)行計(jì)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(lái)獲得[27]。

迄今為止，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)開(kāi)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(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展，可以看到經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展，有源區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)種類(lèi)已經(jīng)多達(dá)二十幾種，主要是美國(guó)、瑞士和日本所發(fā)明設(shè)計(jì)。瑞士的發(fā)明設(shè)計(jì)來(lái)自J. Faist教授，其之前供職于美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室，是量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)明者之一。日本的發(fā)明設(shè)計(jì)主要是濱松光子學(xué)株式會(huì)社的K. Fujita，其也曾受到過(guò)美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室量子級(jí)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(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展

在二十多種設(shè)計(jì)中，最為經(jīng)典和成功的是雙聲子共振（double phonon resonance）設(shè)計(jì)和束縛-連續(xù)（bound-to-continuum）設(shè)計(jì)，這兩種設(shè)計(jì)成功將量子級(jí)聯(lián)激光器的工作溫度提高到室溫，為中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在2008年，美國(guó)西北大學(xué)的Y. Bai等人采用雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計(jì)，在4.6 μm的發(fā)射波長(zhǎng)下，讓單管量子級(jí)聯(lián)激光器率先實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)光功率輸出，室溫下的連續(xù)輸出光功率高達(dá)1.3 W[28]。與單聲子共振相比，雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計(jì)基于四個(gè)量子阱系統(tǒng)，較低的下能級(jí)位置處擁有三個(gè)子帶能級(jí)，通過(guò)依次釋放兩個(gè)縱向光學(xué)聲子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子進(jìn)行抽運(yùn)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(jì)中，三個(gè)不連續(xù)的較低子帶能級(jí)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(gè)相鄰較低子帶能級(jí)之間的能量差與縱向光學(xué)聲子的能量相互不匹配的話(huà)，將阻礙下能級(jí)電子的抽空，這會(huì)嚴(yán)重惡化量子級(jí)聯(lián)激光器的性能。因此，雙聲子共振有源區(qū)設(shè)計(jì)對(duì)有源區(qū)量子阱和勢(shì)壘的厚度要求極為嚴(yán)格，一旦厚度稍有偏差則級(jí)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(jì)，束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計(jì)結(jié)合了三阱耦合有源區(qū)設(shè)計(jì)中的上能級(jí)設(shè)計(jì)和超晶格有源區(qū)設(shè)計(jì)中的下能級(jí)微帶設(shè)計(jì)[18]。在該束縛–連續(xù)設(shè)計(jì)中，一個(gè)較薄的量子阱添加到了超晶格設(shè)計(jì)中而沒(méi)有明顯區(qū)分有源區(qū)和注入?yún)^(qū)。因此，上能級(jí)態(tài)被局域到了第一個(gè)量子阱附近，而下能級(jí)態(tài)的微帶則擴(kuò)展到整個(gè)有源區(qū)和注入?yún)^(qū)。束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計(jì)不僅具有三阱耦合有源區(qū)高效共振隧穿注入的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)[20]。盡管束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計(jì)可以實(shí)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(jí)態(tài)從而導(dǎo)致量子級(jí)聯(lián)激光光譜相對(duì)較寬，這會(huì)使具有束縛–連續(xù)設(shè)計(jì)的激光峰值增益相對(duì)較低[18]。因而，束縛–連續(xù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不是實(shí)現(xiàn)量子級(jí)聯(lián)激光器室溫大功率工作的最合適的設(shè)計(jì)構(gòu)型，但束縛–連續(xù)有源區(qū)設(shè)計(jì)結(jié)合外腔寬調(diào)諧技術(shù)可以獲得相對(duì)較寬的波長(zhǎng)調(diào)諧能力，在波長(zhǎng)寬調(diào)諧領(lǐng)域具有重要的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。

除了上述兩種經(jīng)典的有源區(qū)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)量子級(jí)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(jì)、雙阱有源區(qū)設(shè)計(jì)、淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)，以及高微分增益有源區(qū)設(shè)計(jì)被美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出來(lái)，將會(huì)在下文的高功率室溫連續(xù)量子級(jí)聯(lián)激光器部分進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

量子級(jí)聯(lián)激光器增益有源區(qū)的周?chē)枰M(jìn)行光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)有源區(qū)的光場(chǎng)進(jìn)行限制，從而更好地實(shí)現(xiàn)激射。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體思路是通過(guò)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)最小的光波導(dǎo)損失、最大的光模限制因子，同時(shí)最大程度促進(jìn)激光器的散熱。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的計(jì)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(dòng)方程。對(duì)于量子級(jí)聯(lián)激光器而言，子帶能級(jí)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(jìn)行傳播[27]，因此，在量子級(jí)聯(lián)激光器中，只考慮橫磁模的傳播。首先通過(guò)Maxwell方程推導(dǎo)出電磁波在平板介質(zhì)中的Helmholtz方程，進(jìn)一步計(jì)算出有效折射率和光模分布，最后計(jì)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(jí)聯(lián)激光器需要對(duì)增益有源區(qū)三個(gè)方向進(jìn)行光場(chǎng)限制。

激光器脊波導(dǎo)兩側(cè)的光場(chǎng)限制可以通過(guò)在脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的邊墻處沉積絕緣層來(lái)實(shí)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(duì)于大功率量子級(jí)聯(lián)激光器而言，為了更好地散熱，通常需要利用金屬有機(jī)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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)限制可以通過(guò)裂解面（前腔面和后腔面）的涂層來(lái)完成。量子級(jí)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(shí)可以增強(qiáng)前腔面的透過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升[8]。

垂直于激光器外延層的光場(chǎng)限制主要是通過(guò)波導(dǎo)限制層、波導(dǎo)包覆層來(lái)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(lài)于波長(zhǎng)和InAlAs勢(shì)壘層、InGaAs量子阱層總厚度的比例。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)促進(jìn)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(jìn)一步增加了量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出光功率和工作溫度[50, 51]。兩個(gè)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(jì)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的光場(chǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于InP的熱導(dǎo)率70 W/(m·K)。因此，人們進(jìn)一步采用純InP基的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)大幅改善器件內(nèi)部的熱阻，同時(shí)又獲得了高達(dá)80%的光場(chǎng)限制因子（如圖3所示）[6, 7, 46]。所以，大多數(shù)最先進(jìn)的高功率室溫連續(xù)運(yùn)行的量子級(jí)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(jí)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(guò)減小該InP層的折射率來(lái)實(shí)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(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)中全I(xiàn)nP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(jí)聯(lián)激光器也采用錐形的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)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(duì)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(jì)一個(gè)較長(zhǎng)的腔長(zhǎng)和較窄的脊結(jié)構(gòu)來(lái)強(qiáng)烈促進(jìn)基模TM00，并且在輸出面設(shè)計(jì)為短的錐形結(jié)構(gòu)來(lái)增加光學(xué)損失閾值，同時(shí)在脊和錐形的側(cè)面進(jìn)行二次外延生長(zhǎng)來(lái)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(zhǎng)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(jì)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(jì)中，需要減小波導(dǎo)損失來(lái)獲得最大的光場(chǎng)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(zhǎng)的波長(zhǎng)以及更大的摻雜濃度下自由載流子吸收會(huì)更嚴(yán)重。自由載流子吸收與波長(zhǎng)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(dá)式可知，波導(dǎo)損失與波長(zhǎng)的平方成正比，與摻雜濃度呈線(xiàn)性關(guān)系[18, 49]。所以，在中紅外波長(zhǎng)（<5 μm）下，自由載流子吸收問(wèn)題不嚴(yán)重；但是在遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)（>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(zhǎng)波紅外體系下的自由載流子的吸收，需要對(duì)InP層的摻雜濃度進(jìn)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(xiàn)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致激光器的動(dòng)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(dòng)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(guò)增加InP包覆層的厚度來(lái)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(jì)

大功率量子級(jí)聯(lián)激光器在室溫連續(xù)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不及時(shí)將這些廢熱從激光器內(nèi)部移除出去，那么會(huì)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(jí)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(gè)關(guān)鍵特征。第一個(gè)特征是廢熱產(chǎn)生量巨大。在室溫下連續(xù)運(yùn)行，由于電光轉(zhuǎn)換效率不高，因此施加在量子級(jí)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(huì)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(huì)更為嚴(yán)重。有源層內(nèi)部的熱積累將會(huì)導(dǎo)致有源層核的溫度急劇增加，進(jìn)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(jí)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(jí)聯(lián)激光器內(nèi)部的熱量，需要對(duì)激光器器件進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，從而最大程度移除體系內(nèi)部的熱量，維持量子級(jí)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(gè)特征是量子級(jí)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(zhǎng)方向，有源層是由超薄的量子阱層和勢(shì)壘層相互堆疊構(gòu)成，這些超薄層的層數(shù)可達(dá)上千層，每多一層將會(huì)增加一個(gè)界面，也即增加一個(gè)串聯(lián)熱阻。因此，使得垂直方向（外延層生長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)[55]。所以，對(duì)于器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要充分考慮量子級(jí)聯(lián)激光器內(nèi)部有源區(qū)的熱量產(chǎn)生和散熱的兩個(gè)關(guān)鍵特征。

針對(duì)器件的散熱設(shè)計(jì)思路，應(yīng)該從三個(gè)方面來(lái)考慮。

第一，從有源區(qū)和波導(dǎo)設(shè)計(jì)方面來(lái)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(duì)有源區(qū)能帶和波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jí)載流子的壽命從而促進(jìn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)進(jìn)而提高輻射躍遷效率，避免基態(tài)能級(jí)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(jì)包括雙阱有源區(qū)設(shè)計(jì)、淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)、高微分增益有源區(qū)設(shè)計(jì)以及非共振抽取有源區(qū)設(shè)計(jì)等[3, 6, 10]。

第二，從外延層結(jié)構(gòu)和材料方面來(lái)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(jí)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(jí)聯(lián)周期數(shù)可能會(huì)減小輸出功率，因此需要優(yōu)化級(jí)聯(lián)周期數(shù)來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)大功率輸出和高的熱傳導(dǎo)效率。減小每個(gè)級(jí)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(jìn)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(lái)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(guó)外實(shí)現(xiàn)量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來(lái)改善器件散熱。有源區(qū)設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)于室溫大功率連續(xù)運(yùn)行的量子級(jí)聯(lián)激光器而言，需要對(duì)激光器器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)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(lái)促進(jìn)熱傳導(dǎo)，比如對(duì)上電極進(jìn)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(jìn)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(jí)聯(lián)激光器的性能和穩(wěn)定性。圖5給出了量子級(jí)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]。可以看到具有掩埋異質(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））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(wú)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(jí)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(wú)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(jí)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(cè)以及紅外對(duì)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(jí)聯(lián)激光器的研發(fā)。

表2匯總了各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)中波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器在室溫環(huán)境連續(xù)操作下，達(dá)到或接近的瓦級(jí)輸出功率和相應(yīng)的電光轉(zhuǎn)換效率等數(shù)據(jù)。需要強(qiáng)調(diào)的是表2所總結(jié)的輸出功率都是來(lái)自于單管芯量子級(jí)聯(lián)激光器，而不涉及基于多個(gè)量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器的研究進(jìn)展絕大多數(shù)來(lái)自于美國(guó)。自從量子級(jí)聯(lián)激光器的創(chuàng)始人之一J. Faist教授及其團(tuán)隊(duì)，在2002年于《Science》上報(bào)道了第一個(gè)室溫連續(xù)運(yùn)行的具有10 mW輸出功率的量子級(jí)聯(lián)激光器以來(lái)[5]，美國(guó)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(jí)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(diǎn)，是因?yàn)?008年以后，中波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器終于突破了室溫下的連續(xù)瓦級(jí)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(jí)聯(lián)激光器被不斷研發(fā)出來(lái)。由表2部分?jǐn)?shù)據(jù)，可以看到，在2011年，美國(guó)西北大學(xué)獲得了4.9 μm波長(zhǎng)下當(dāng)時(shí)最高的室溫下連續(xù)輸出功率（5.1 W）和當(dāng)時(shí)最高的連續(xù)電光轉(zhuǎn)換效率（21%）[57]。在2020年，美國(guó)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(zhǎng)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(guó)西北大學(xué)以外，美國(guó)哈佛大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、佛羅里達(dá)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(jí)聯(lián)激光器領(lǐng)域取得了較大的成就，獲得了較高的瓦級(jí)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率。除了美國(guó)，歐洲的瑞士Alpes Lasers公司公布的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)1.5 W@4.6 μm@RT的激光平均功率，而法國(guó)MirSense公司公布的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)品也可以實(shí)現(xiàn)≥1 W@4.6 μm@20 ℃的激光平均功率。國(guó)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(jí)聯(lián)激光器方向可以實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)輸出功率的技術(shù)。國(guó)際上不斷在中波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率方面有新的進(jìn)展，得益于在芯片理論設(shè)計(jì)、高質(zhì)量的外延材料生長(zhǎng)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(jì)的改變，即從早期的突破瓦級(jí)輸出功率的雙聲子共振設(shè)計(jì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪舱癯槿≡O(shè)計(jì)、淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)以及雙阱有源區(qū)設(shè)計(jì)，這些新穎的有源區(qū)設(shè)計(jì)是進(jìn)一步提升量子級(jí)聯(lián)激光器輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。對(duì)于中波紅外高功率量子級(jí)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(jí)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(jì)都較好地解決了上能級(jí)載流子熱逃逸這個(gè)問(wèn)題。

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

注：本表也匯總了激射波長(zhǎng)為5.6 μm的一組數(shù)據(jù)。

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

非共振抽取（nonresonant extraction）設(shè)計(jì)源自于美國(guó)Pranalytica Inc.、哈佛大學(xué)以及加利福尼亞大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)[6, 40]，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)是擯棄了傳統(tǒng)的雙聲子共振設(shè)計(jì)中的兩個(gè)聲子共振條件，而通過(guò)在下能級(jí)下方設(shè)計(jì)幾個(gè)平行的能級(jí)來(lái)維持較低的下能級(jí)壽命，因此，非共振抽取下能級(jí)的壽命對(duì)于有源層厚度的改變不太敏感。換句話(huà)說(shuō)，這是一個(gè)“高容錯(cuò)”的有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，由于擯棄了兩個(gè)聲子的共振條件，所以有利于控制高于上能級(jí)E4的寄生能級(jí)，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(shí)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(jì)的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖。非共振抽取設(shè)計(jì)基于兩種高應(yīng)力的材料，即量子阱In0.67Ga0.33As和勢(shì)壘In0.36Al0.64As，其中有源區(qū)包括了五個(gè)量子阱的結(jié)構(gòu)。這將會(huì)有兩個(gè)有益的效果：第一，五個(gè)量子阱有源區(qū)將產(chǎn)生額外的有源區(qū)能級(jí)E1’，其緊挨著能級(jí)E1，這滿(mǎn)足了不顯著增加較低能級(jí)載流子壽命的條件。第二，下激射能級(jí)E3和最低能級(jí)E1’的能級(jí)間隔E31’可以增加到100 meV，這進(jìn)一步抑制了下能級(jí)E3的熱回填效應(yīng)。能級(jí)E1和E1’與能級(jí)E2將會(huì)有較大的交疊，由于從能級(jí)E2可以躍遷到兩個(gè)平行的最低能級(jí)E1和E1’，計(jì)算的下能級(jí)電子壽命2僅僅有0.34 ps，接近于雙聲子共振設(shè)計(jì)所計(jì)算的數(shù)值。此外，由于2對(duì)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(guò)改變有源層各層的厚度來(lái)增加能量間隔E54到63 meV，與此同時(shí)維持最大的激射躍遷矩陣元z43和較大的上能級(jí)壽命。為了進(jìn)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(duì)非共振抽取有源區(qū)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。在維持上能級(jí)壽命、下能級(jí)壽命、電壓缺陷以及激射躍遷矩陣元不變的情況下，通過(guò)采用更高應(yīng)力組分的量子阱InGaAs層和勢(shì)壘InAlAs層，可以進(jìn)一步增加上能級(jí)與寄生能級(jí)、連續(xù)能級(jí)的能量間隔，從而進(jìn)一步減小上能級(jí)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(jí)聯(lián)激光器。

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

淺阱（shallow-well）有源區(qū)設(shè)計(jì)源自美國(guó)西北大學(xué)[3, 43]，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)是在一個(gè)級(jí)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(bǔ)償?shù)牧孔于錓n0.69Ga0.31As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。淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)如圖7所示。通過(guò)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(jí)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(shí)現(xiàn)量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器為了實(shí)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(shì)壘In0.36Al0.64As層，這樣才可以提高激射能級(jí)差，從而激射出中波紅外；同時(shí)，大的應(yīng)力平衡可以增加E34和E3C的能級(jí)間隔（見(jiàn)圖7），從而減小了上激射能級(jí)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(jí)。相比于沒(méi)有AlAs插入層的有源區(qū)設(shè)計(jì)，如雙聲子共振和連續(xù)–束縛有源區(qū)設(shè)計(jì)，在插入AlAs層后，有源區(qū)波函數(shù)受到了更強(qiáng)的限制，它們耦合到連續(xù)態(tài)的程度也被減小了，同時(shí)E34和E3C的能級(jí)間隔也會(huì)增加，從而進(jìn)一步減小了上能級(jí)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(jì)的顯著特征是包含了一對(duì)淺阱層和矮勢(shì)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(guò)增加上能級(jí)E3和寄生能級(jí)E4之間的能量間隔，從而最大程度降低上能級(jí)載流子熱逃逸到其它寄生能級(jí)。相比于傳統(tǒng)三阱單聲子共振有源區(qū)的設(shè)計(jì)，含有晶格匹配材料淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)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(jì)，淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)增加的E43數(shù)值更為明顯。因?yàn)閷?dǎo)致較低特征溫度的載流子泄漏主要是從上能級(jí)E3到能級(jí)E4的縱向光學(xué)聲子散射所引起，因此，通過(guò)玻爾茲曼分布計(jì)算可以證實(shí)，相比于僅有60 meV的E43的深阱有源區(qū)設(shè)計(jì)，淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)在室溫下的載流子泄漏電流降為原來(lái)的1/5。盡管淺阱有源區(qū)設(shè)計(jì)中能級(jí)E4和E5的差值E54（70 meV）略低于深阱有源區(qū)設(shè)計(jì)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(jì)中上能級(jí)載流子熱逃逸的強(qiáng)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(jì)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(shì)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(jì)源自美國(guó)佛羅里達(dá)中部大學(xué)[6, 47]，此種結(jié)構(gòu)的激光器激射波長(zhǎng)大于5 μm，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)是基于兩個(gè)量子阱的有源區(qū)設(shè)計(jì)，并減小了同一級(jí)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(jì)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(bǔ)償?shù)腎n0.69Ga0.31As和In0.22Al0.78As。

首先，通過(guò)調(diào)節(jié)注入勢(shì)壘的寬度來(lái)設(shè)計(jì)注入?yún)^(qū)基態(tài)能級(jí)g和上激射能級(jí)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(jí)的效率；其次，雙阱有源區(qū)設(shè)計(jì)移除了有源區(qū)臨近注入勢(shì)壘的第一對(duì)較薄的量子阱層和勢(shì)壘層，這有助于增加上激射能級(jí)E4和寄生能級(jí)E5之間的能量間隔E54。第一對(duì)較薄的量子阱和勢(shì)壘層常被引入到長(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計(jì)中，用來(lái)抑制上個(gè)注入?yún)^(qū)的基態(tài)g直接注入到下激射能級(jí)E3。事實(shí)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(duì)較薄的量子阱和勢(shì)壘層；最后，通過(guò)增加出口勢(shì)壘的厚度來(lái)減小同一級(jí)聯(lián)周期有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的耦合，這樣可以進(jìn)一步增加上激射能級(jí)E4和E5等具有較高能量寄生能級(jí)之間的空間距離。如圖8所示，寄生能級(jí)E5已經(jīng)被推到了下個(gè)毗連周期的注入?yún)^(qū)，從而減小了能級(jí)E4和E5之間的交疊，能量間距E54增加到了約90 meV，而能級(jí)E5上的載流子的平均位置和能級(jí)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(shí)，所有的注入態(tài)被推到了下激射能級(jí)E3以下，這增加了E3能級(jí)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(guò)兩個(gè)量子阱的有源區(qū)設(shè)計(jì)來(lái)同時(shí)獲得，其中上激射能級(jí)和下激射能級(jí)被局域在了相同的兩個(gè)較寬的量子阱中。雙阱有源區(qū)設(shè)計(jì)中較大的能量間距E54和空間間距d54使得量子級(jí)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(jì)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(jí)，E5是寄生能級(jí)，E3是下激射能級(jí)，Eg是基態(tài)能級(jí)[6, 47]

5 8 μm～12 μm長(zhǎng)波紅外高功率室溫連續(xù)量子級(jí)聯(lián)激光器

8 μm～12 μm長(zhǎng)波紅外處在第二個(gè)大氣透過(guò)窗口，在氣體檢測(cè)和自由空間光通信等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。因此，長(zhǎng)波紅外高功率量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器，長(zhǎng)波紅外高功率量子級(jí)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(chǎng)原因，也有可能是因?yàn)殚L(zhǎng)波紅外高功率量子級(jí)聯(lián)激光器的技術(shù)受到更大的挑戰(zhàn)[62]。對(duì)于長(zhǎng)波紅外高功率量子級(jí)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(jí)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(zhǎng)波紅外高功率量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器的更難實(shí)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(jí)聯(lián)激光器，長(zhǎng)波紅外大功率量子級(jí)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(jí)聯(lián)激光器相應(yīng)的數(shù)值。

表3匯總了世界上各國(guó)的長(zhǎng)波紅外單管芯量子級(jí)聯(lián)激光器在室溫連續(xù)波操作下，達(dá)到（或?qū)⒔┑耐呒?jí)輸出功率和相應(yīng)電光轉(zhuǎn)換效率的相關(guān)數(shù)據(jù)。從表3可以看到，長(zhǎng)波紅外室溫連續(xù)高功率量子級(jí)聯(lián)激光器的研究進(jìn)展絕大多數(shù)來(lái)自于美國(guó)。在2002年，J. Faist教授及其團(tuán)隊(duì)在Science上報(bào)道了第一個(gè)室溫下連續(xù)運(yùn)行的具有10 mW輸出功率的量子級(jí)聯(lián)激光器，其輸出波長(zhǎng)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(zhǎng)波紅外高功率量子級(jí)聯(lián)激光器的研發(fā)上，美國(guó)也一直處于領(lǐng)先。2009年到2020年之間，長(zhǎng)波（7 μm ～12 μm）單管芯量子級(jí)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?，經(jīng)過(guò)最近十年的努力，長(zhǎng)波紅外單管芯量子級(jí)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(jí)增長(zhǎng)到2020年美國(guó)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(guó)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(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器領(lǐng)域取得了較大的成就，獲得了較高的瓦級(jí)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(zhǎng)波紅外高功率量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器上有所建樹(shù)。在2010年，歐洲的瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院J. Faist教授團(tuán)隊(duì)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[41]。在2017年，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)在8 μm波長(zhǎng)處實(shí)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(huì)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(zhǎng)為8.6 μm[64]。相比之下，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到8 μm～12 μm長(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)輸出功率的報(bào)道。而在7 μm～8 μm波段處，國(guó)內(nèi)也僅有中科院半導(dǎo)體所在2020年12月報(bào)道的波長(zhǎng)7.7 μm、室溫連續(xù)輸出功率為1.17 W的量子級(jí)聯(lián)激光器[53]，所采用的有源區(qū)設(shè)計(jì)是基于瑞士J.Fasit團(tuán)隊(duì)在2001年發(fā)明的束縛–連續(xù)躍遷有源區(qū)設(shè)計(jì)。國(guó)際上在長(zhǎng)波紅外量子級(jí)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(jì)、高質(zhì)量的材料外延生長(zhǎng)以及高散熱特性的器件加工工藝等方面的進(jìn)展。事實(shí)上，從表3可以清晰地看到芯片有源區(qū)設(shè)計(jì)的改變，即從早期的突破瓦級(jí)功率的改進(jìn)的雙聲子共振設(shè)計(jì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪舱癯槿≡O(shè)計(jì)和高微分增益有源區(qū)設(shè)計(jì)，這些新穎的有源區(qū)設(shè)計(jì)是進(jìn)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(gè)轉(zhuǎn)變，即從傳統(tǒng)長(zhǎng)波紅外所選擇的晶格匹配體系轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)波紅外的應(yīng)力補(bǔ)償體系，這也是實(shí)現(xiàn)大功率長(zhǎng)波紅外量子級(jí)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(jì)和關(guān)鍵轉(zhuǎn)變都很好地解決了上文所提到的實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波紅外大功率量子級(jí)聯(lián)激光器所面臨的瓶頸和難點(diǎn)。

表3 長(zhǎng)波紅外（8 μm～12 μm）單管芯量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的研究進(jìn)展

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

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

非共振抽?。╪onresonant extraction）設(shè)計(jì)也可以用在長(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計(jì)上來(lái)提高室溫連續(xù)輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率[62, 65]。長(zhǎng)波紅外體系下的非共振抽取有源區(qū)設(shè)計(jì)原理類(lèi)似于中波紅外體系非共振抽取有源區(qū)設(shè)計(jì)，其擯棄了傳統(tǒng)的雙聲子共振設(shè)計(jì)中的兩個(gè)聲子共振條件，且在下能級(jí)下方設(shè)計(jì)幾個(gè)平行的能級(jí)來(lái)維持較低的下能級(jí)的壽命，其最大的創(chuàng)新是采用了應(yīng)力平衡/補(bǔ)償?shù)牟牧辖M分。傳統(tǒng)上，晶格匹配的InGaAs/InAlAs組分擁有相對(duì)較小的帶邊補(bǔ)償520 meV，這對(duì)具有較小的激射能級(jí)差并且不需要太大輸出功率的長(zhǎng)波體系是足夠的，這是因?yàn)殚L(zhǎng)波體系下的上能級(jí)和高于勢(shì)壘的連續(xù)能級(jí)態(tài)之間的距離比較大。然而，對(duì)于室溫下連續(xù)大功率輸出的量子級(jí)聯(lián)激光器而言，有源區(qū)核的溫度相對(duì)較高，因此上能級(jí)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(jí)自由載流子的熱逃逸問(wèn)題就會(huì)比較嚴(yán)重。所以，在長(zhǎng)波紅外大功率室溫連續(xù)量子級(jí)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(gè)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(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的不同研究機(jī)構(gòu)的共同特征。圖9給出了長(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器非共振抽取有源區(qū)設(shè)計(jì)的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)圖，類(lèi)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(jí)激射E4和下激射能級(jí)E3之間。能量間隔E54被設(shè)計(jì)為60 meV，而上激射能級(jí)和勢(shì)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(zhǎng)波紅外量子級(jí)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(zhǎng)波紅外體系下的波導(dǎo)損失以及激光器散熱問(wèn)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(guò)。

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

高微分增益（High-differential-gain）有源區(qū)設(shè)計(jì)源自美國(guó)西北大學(xué)[1, 8]，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(jì)思路。圖10給出了高微分增益有源區(qū)設(shè)計(jì)的導(dǎo)帶和波函數(shù)圖，其中量子阱材料是In0.59Ga0.41As和勢(shì)壘材料In0.36Al0.64As，電子從上激射能級(jí)E2斜躍遷到下激射能級(jí)E1并發(fā)射出光子。通過(guò)采用應(yīng)力平衡技術(shù)可以增加帶邊補(bǔ)償，從而減小上能級(jí)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(jì)方面，考慮應(yīng)用在長(zhǎng)波紅外領(lǐng)域，電壓缺陷Δinj（Δinj=E1–Eg）通常設(shè)計(jì)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(jí)。但是，為了有效增加微分增益和量子效率，需要選擇一個(gè)較小的電壓缺陷Δinj數(shù)值，同時(shí)不會(huì)顯著引起載流子的熱回填效應(yīng)。因此Δinj數(shù)值被設(shè)計(jì)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(jì)的另一個(gè)特征是斜躍遷設(shè)計(jì)，這意味著上激射能級(jí)E2和下激射能級(jí)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(jí)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(jì)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(zhǎng)波紅外量子級(jí)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(jì)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(jí)E2斜躍遷到下激射能級(jí)E1[1]

6 大功率脈沖量子級(jí)聯(lián)激光器

除了大功率室溫下連續(xù)輸出的量子級(jí)聯(lián)激光器，具有瞬時(shí)超大功率的脈沖量子級(jí)聯(lián)激光器在紅外對(duì)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(shí)現(xiàn)，并且單管窄脊量子級(jí)聯(lián)激光器的輸出功率不太可能超過(guò)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(jí)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(guò)增加脊波導(dǎo)寬度，來(lái)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(jí)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?？梢钥吹剑}沖峰值功率隨著脊寬的增加而呈現(xiàn)出線(xiàn)性增加的趨勢(shì)，當(dāng)脊寬增加到400 μm時(shí)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(shí)候的16%下降到200 μm脊寬時(shí)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(shí)上，寬脊激光器的熱積累要比窄脊的更為嚴(yán)重，這是因?yàn)殡S著脊寬的增加，有源層的橫向散熱路徑就更長(zhǎng)，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(shí)候有源層的熱量也達(dá)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(jìn)的復(fù)合散熱設(shè)計(jì)，包括減小級(jí)聯(lián)周期數(shù)，采用二次外延生長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器，在波長(zhǎng)4.7 μm和室溫下可實(shí)現(xiàn)62 W的總脈沖峰值功率，通過(guò)研究峰值輸出功率對(duì)溫度的依賴(lài)性，發(fā)現(xiàn)在373 K下脈沖量子級(jí)聯(lián)激光器仍可實(shí)現(xiàn)20 W的峰值輸出功率。除了增加脊寬，還可以通過(guò)增加有源層級(jí)聯(lián)周期數(shù)以及器件腔長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高脈沖輸出功率。有源層級(jí)聯(lián)周期數(shù)的增加導(dǎo)致垂直外延生長(zhǎng)方向的界面更多，使得激光器更難以散熱；而器件腔長(zhǎng)的增加可以增加增益體積，并且腔長(zhǎng)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(zhǎng)的同時(shí)減小級(jí)聯(lián)周期數(shù)，以來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖模式下量子級(jí)聯(lián)激光器的功率放大[69]。這是因?yàn)榧箤捄颓婚L(zhǎng)的增加有效增加了激光器的增益體積，但是，通過(guò)減小級(jí)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(jí)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(lái)實(shí)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(zhǎng)（300 μm脊寬和5.8 mm腔長(zhǎng)）的量子級(jí)聯(lián)激光器中實(shí)現(xiàn)了203 W的脈沖峰值功率[70]。盡管脊寬和腔長(zhǎng)的增加可以實(shí)現(xiàn)脈沖大功率輸出，但是脊寬和腔長(zhǎng)的增加也是有上限的，因?yàn)榍罢叩脑黾訒?huì)導(dǎo)致激光器的譜線(xiàn)和光束性質(zhì)惡化[3, 67]，而后者的增加會(huì)讓器件有更大的長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)和光譜性質(zhì)可以通過(guò)光子晶體分布反饋（PCDFB）機(jī)制來(lái)改善[3, 67]。單模輸出和好的光束質(zhì)量依賴(lài)于給定脊寬和腔長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)

量子級(jí)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(lài)于外延生長(zhǎng)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(jí)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(duì)于中波和長(zhǎng)波紅外大功率量子級(jí)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(zhǎng)主要是生長(zhǎng)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(jí)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(jí)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(zhǎng)量子級(jí)聯(lián)激光器有源層結(jié)構(gòu)的方法，這是因?yàn)镸BE設(shè)備是生長(zhǎng)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(jìn)行外延生長(zhǎng)。但是，采用固態(tài)源MBE外延生長(zhǎng)的時(shí)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(zhǎng)磷化合物較為困難。針對(duì)磷束流較難控制問(wèn)題，MBE廠(chǎng)商研制出了高效磷裂解爐，較好地解決了上述問(wèn)題[24]。此外，人們還發(fā)展了GSMBE技術(shù)來(lái)解決含磷的化合物難以生長(zhǎng)的問(wèn)題[21, 25]。利用氣態(tài)源MBE外延生長(zhǎng)的時(shí)候，通過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(guó)際上也成功采用MOCVD技術(shù)和金屬有機(jī)氣相外延（MOVPE）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量子級(jí)聯(lián)激光器芯片的外延生長(zhǎng)[71, 72]。相比于昂貴且外延生長(zhǎng)速率較慢的MBE設(shè)備，MOCVD和MOVPE的腔室可以放大進(jìn)行多個(gè)晶圓的外延生長(zhǎng)，因而更適合大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)滿(mǎn)足商業(yè)化應(yīng)用。此外，由于MOCVD和MOVPE的外延生長(zhǎng)速率范圍較寬，因而可以顯著減小生長(zhǎng)時(shí)間；同時(shí)由于包含所有的源材料且生長(zhǎng)磷化物較為容易，因此MOCVD和MOVPE可以通過(guò)一步生長(zhǎng)來(lái)完成所有的量子級(jí)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(shí)現(xiàn)大功率量子級(jí)聯(lián)激光器芯片的外延生長(zhǎng)。

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

第二，僅利用MOCVD或MOVPE設(shè)備[54, 62, 64]。仍是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，他們利用低壓MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)了量子級(jí)聯(lián)外延層，同樣獲得了瓦級(jí)輸出功率（1.6 W@27 ℃@CW@連續(xù)8.8%），激射波長(zhǎng)4.6 μm[54]。日本濱松光子學(xué)公司的Fujita等人通過(guò)MOVPE技術(shù)生長(zhǎng)了量子級(jí)聯(lián)激光器的外延層結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)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(jí)輸出功率的MOCVD或MOVPE外延生長(zhǎng)技術(shù)為大規(guī)模中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的制造奠定了堅(jiān)實(shí)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(dú)地MOCVD或MOVPE可以實(shí)現(xiàn)瓦量級(jí)輸出功率的量子級(jí)聯(lián)激光器，但是MOCVD或MOVPE在制備有源層時(shí)往往會(huì)發(fā)生組分梯度和界面展寬，從而最終影響量子級(jí)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(lái)精確生長(zhǎng)，而較厚的波導(dǎo)層則采用MOCVD或MOVPE來(lái)生長(zhǎng)。美國(guó)西北大學(xué)采用GSMBE來(lái)生長(zhǎng)有源層級(jí)聯(lián)超晶格，而通過(guò)MOCVD來(lái)生長(zhǎng)InP包覆層和接觸層，基于先進(jìn)的有源區(qū)、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及散熱設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了單管量子級(jí)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(guó)內(nèi)的中科院半導(dǎo)體所也采用MBE和MOCVD的組合方式來(lái)生長(zhǎng)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(lái)生長(zhǎng)量子級(jí)聯(lián)激光器芯片外延層，都需要精確控制生長(zhǎng)工藝參數(shù)如生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率、束流強(qiáng)度、氣體流量、V族/Ⅲ族元素比等，只有這樣才可能生長(zhǎng)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(jí)聯(lián)激光器有源層超晶格。

8 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)中遠(yuǎn)紅外InP基高功率單管量子級(jí)聯(lián)激光器日新月異的發(fā)展，本文首先梳理了量子級(jí)聯(lián)激光器在有源層設(shè)計(jì)、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件散熱設(shè)計(jì)方面的研究發(fā)展和設(shè)計(jì)思路；然后重點(diǎn)討論了4 μm～5 μm中波紅外和8 μm～12 μm長(zhǎng)波紅外高功率室溫下連續(xù)單管量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展和演變，以及大功率脈沖量子級(jí)聯(lián)激光器的研究情況；最后，簡(jiǎn)要對(duì)比和分析了大功率量子級(jí)聯(lián)激光器芯片的外延制備技術(shù)。經(jīng)過(guò)26年的發(fā)展，InP基中紅外量子級(jí)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(jì)、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(jí)輸出功率的量子級(jí)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(jí)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(zhǎng)波紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的實(shí)現(xiàn)有力地促進(jìn)了遙感、紅外對(duì)抗，以及遠(yuǎn)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(jí)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(diǎn)，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，量子級(jí)聯(lián)激光器一定能夠在中遠(yuǎn)紅外領(lǐng)域大展身手。

[1] ZHOU W, LU Q Y, WU D H, et al. High-power, continuous-wave, phase-locked quantum cascade laser arrays emitting at 8 μm[J]. Optics Express, 2019, 27(11): 15776–15785.

[2] RAZEGHI M, LU Q Y, BANDYOPADHYAY N, et al. Quantum cascade lasers: From tool to product[J]. Optics Express, 2015, 23(7): 8462–8475.

[3] RAZEGHI M, ZHOU W, SLIVKEN S, et al. Recent progress of quantum cascade laser research from 3 to 12 μm at the center for quantum devices [Invited][J]. Applied Optics, 2017, 56(31): H30–H44.

[4] FAIST J, CAPASSO F, SIVCO D L, et al. Quantum cascade laser[J]. Science, 1994, 264(5158): 553–556.

[5] BECK M, HOFSTETTER D, AELLEN T, et al. Continuous wave operation of a mid-infrared semiconductor laser at room temperature[J]. Science, 2002, 295: 301–305.

[6] FIGUEIREDO P, SUTTINGER M, GO R, et al. Progress in high-power continuous-wave quantum cascade lasers[J]. Applied Optics, 2017, 56(31): H15–H23.

[7] WANG F, SLIVKEN S, WU D H, et al. Room temperature quantum cascade lasers with 22% wall plug efficiency in continuous-wave operation[J]. Optics Express, 2020, 28(12): 17532–17538.

[8] LU Q, SLIVKEN S, WUD, et al. High power continuous wave operation of single mode quantum cascade lasers up to 5 W spanning λ～3.8–8.3 μm[J]. Optics Express, 2020, 28(10): 15181–15188.

[9] LUZHANSKY E, CHOA F-S, MERRITT S, et al. Mid-IR free-space optical communication with quantum cascade lasers [C]// Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2015, 9465: 946512-1–946512-7.

[10] 劉峰奇, 張錦川, 劉俊岐, 等. 量子級(jí)聯(lián)激光器研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)激光, 2020, 47(7): 0701007-1–0701007-13.

LIU Fengqi, ZHANG Jinchuan, LIU Junqi, et al. Progress in quantum cascade lasers[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(7): 0701007-1–0701007-13.

[11] 張懷林, 吳濤, 何興道. 基于QCL的紅外吸收光譜技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2019, 39(9): 2751–2757.

ZHANG Huailin, WU Tao, HE Xingdao. Progress of measurement of infrared absorption spectroscopy based on QCL[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019, 39(9): 2751–2757.

[12] 孟冬冬, 張鴻博, 李明山, 等. 定向紅外對(duì)抗系統(tǒng)中的激光器技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2018, 47(11): 1105009-1–1105009-10.

MENG Dongdong, ZHANG Hongbo, LI Mingshan, et al. Laser technology for direct IR countermeasure system[J]. Infrared and Lasers Engineering, 2018, 47(11): 1105009-1–1105009-10.

[13] 趙越, 張錦川, 劉傳威, 等. 中遠(yuǎn)紅外量子級(jí)聯(lián)激光器研究進(jìn)展(特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2018, 47(10): 1003001-1–1003001-10.

ZHAO Yue, ZHANG Jinchuan, LIU Chuanwei, et al. Progress in mid- and far- infrared quantum cascade laser (invited)[J]. Infrared and Lasers Engineering, 2018, 47(10): 1003001-1–1003001-10.

[14] LYAKH A, MAULINI R, TSEKOUN A, et al. Tapered 4.7 μm quantum cascade lasers with highly strained active region composition delivering over 4.5 watts of continuous wave optical power[J]. Optics Express, 2012, 20(4): 4382–4388.

[15] MAULINI R, LYAKH A, TSEKOUN A, et al. λ～7.1 μm quantum cascade lasers with 19% wall-plug efficiency at room temperature[J]. Optics Express, 2011, 19(18): 17203–17211.

[16] XIE F, CANEAU C, LEBLANC H P, et al. Watt-level room temperature continuous-wave operation of quantum cascade lasers with λ >10 μm[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2013, 19(4): 1200407.

[17] MATSUOKA Y, SEMTSIV M P, MASSELINK W T. 4-Quantum cascade lasers[M]//TOURNI E, CERUTTI L. Mid-infrared Optoelectronics. Woodhead Publishing, 2020: 131–179.

[18] FUJITA K. Mid-infrared InGaAs/InAlAs quantum cascade lasers[D]. Kyoto: Kyoto University, 2014.

[19] 張宇露, 黃彥, 高志強(qiáng), 等. 11.4μm外腔寬調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器研究[J]. 遙測(cè)遙控, 2020, 41(4): 34–39.

ZHANG Yulu, HUANG Yan, GAO Zhiqiang, et al. Research on broadly tuning external cavity quantum cascade laser of 11.4μm[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2020, 41(4): 34–39.

[20] 彭英才, 趙新為, 尚勇. 中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的研究進(jìn)展[J]. 微納電子技術(shù), 2007, 9: 845–852.

PENG Yingcai, ZHAO Xinwei, SHANG Yong. Progress of the mid-infrared quantum cascade lasers[J]. Micronanoelectronic Technology, 2007, 9: 845–852.

[21] 楊全魁. InGaAs/InAlAs量子級(jí)聯(lián)激光器物理, 材料及器件[D]. 上海: 中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所, 2000.

YANG Quankui. InGaAs/InAlAs quantum cascade lasers: physics, material, and devices[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Metallurgy, Chinese Academy of Sciences, 2000.

[22] YOUSEFVAND H R. Temperature performance analysis of intersubband Raman laser in quantum cascade structures[J]. Infrared Physics & Technology, 2017, 83: 132–141.

[23] 梅斌. 量子級(jí)聯(lián)激光器基礎(chǔ)材料結(jié)構(gòu)特性研究[D]. 上海: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 2008.

MEI Bin. Research of the structure characteristics of quantum cascade lasers fundamental materials [D]. Shanghai: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 2008.

[24] EVANS A J. GasMBE growth and characterization of strained layer indium phosphide-gallium indium arsenide-aluminum indium arsenide quantum cascade lasers[D]. Evanston: Northwestern University, 2008.

[25] 李華. 氣態(tài)源分子束外延材料生長(zhǎng)及特性和量子級(jí)聯(lián)激光器材料生長(zhǎng)研究[D]. 上海: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 2007.

LI Hua. GSMBE growth and characterization of fundamental and QCL material[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 2007.

[26] WOLF J M. Quantum cascade laser: from 3 to 26 μm[D]. Zurich: ETH Zurich, 2017.

[27] 陳劍燕. 中紅外面發(fā)射及太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所, 2013.

CHEN Jianyan. Study of mid-infrared surface-emitting and terahertz quantum cascade lasers[D]. Beijing: Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, 2013.

[28] BAI Y, DARVISH S R, SLIVKEN S, et al. Room temperature continuous wave operation of quantum cascade lasers with watt-level optical power[J]. Applied Physics Letters, 2008, 92(10): 101105-1–101105-3.

[29] FAIST J, CAPASSO F, SIRTORI C, et al. Continuous-wave operation of a vertical transition quantum cascade laser above T=80K[J]. Applied Physics Letters, 1995, 67(21): 3057–3059.

[30] FAIST J, CAPASSO F, SIRTORI C, et al. Vertical transition quantum cascade laser with Bragg confined excited state[J]. Applied Physics Letters, 1995, 66(5): 538–540.

[31] FAIST J, CAPASSO F, SIRTORI C, et al. High power mid-infrared (λ～5 μm) quantum cascade lasers operating above room temperature[J]. Applied Physics Letters, 1996, 68(26): 3680–3682.

[32] SIRTORI C, FAIST J, CAPASSO F, et al. Continuous wave operation of midinfrared (7.4-8.6 μm) quantum cascade lasers up to 110 K temperature[J]. Applied Physics Letters, 1996, 68(13): 1745–1747.

[33] SCAMARCIO G, CAPASSO F,SIRTORI C, et al. High-power infrared (8-micrometer wavelength) superlattice lasers[J]. Science, 1997, 276(5313): 773–776.

[34] FAIST J, CAPASSO F, SIVCO D L, et al. Short wavelength (λ～3.4 μm) quantum cascade laser based on strained compensated InGaAs/AlInAs[J]. Applied Physics Letters, 1998, 72(6): 680–682.

[35] FAIST J, BECK M, AELLEN T, et al. Quantum-cascade lasers based on a bound-to-continuum transition[J]. Applied Physics Letters, 2001, 78(2): 147–149.

[36] HOFSTETTER D, BECK M, AELLEN T, et al. High-temperature operation of distributed feedback quantum-cascade lasers at 5.3 μm[J]. Applied Physics Letters, 2001, 78(4): 396–398.

[37] FUJITA K, FURUTA S, SUGIYAMA A, et al. Room temperature, continuous-wave operation of quantum cascade lasers with single phonon resonance-continuum depopulation structures grown by metal organic vapor-phase epitaxy[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91: 141121-1–141121-3.

[38] YAMANISHI M, FUJITA K, EDAMURA T, et al. Indirect pump scheme for quantum cascade lasers: Dynamics of electron-transport and very high T0-values[J]. Optics Express, 2008, 16(25): 20748–20758.

[39] DEY D, WU W, MEMIS O G, et al. Injectorless quantum cascade laser with low voltage defect and improved thermal performance grown by metal-organic chemical-vapor deposition[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(8): 081109-1–081109-3.

[40] LYAKH A, MAULINI R, TSEKOUN A, et al. 3 W continuous-wave room temperature single-facet emission from quantum cascade lasers based on nonresonant extraction design approach[J]. Applied Physics Letters, 2009, 95(14): 141113-1–141113-3.

[41] BISMUTO A, TERAZZI R, BECK M, et al. Electrically tunable, high performance quantum cascade laser[J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(14): 141105-1–141105-3.

[42] BOTEZ D, KUMAR S, SHIN J C, et al. Temperature dependence of the key electro-optical characteristics for mid-infrared emitting quantum cascade lasers[J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(7): 071101-1–071101-3.

[43] BAI Y, BANDYOPADHYAY N, TSAO S, et al. Highly temperature insensitive quantum cascade lasers[J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(25): 251104-1–251104-3.

[44] YAO Y, WANG X, FAN J Y, et al. High performance "continuum-to-continuum" quantum cascade lasers with a broad gain bandwidth of over 400 cm-1[J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(8): 081115-1–081115-3.

[45] FUJITA K, EDAMURA T, FURUTA S, et al. High-performance, homogeneous broad-gain quantum cascade lasers based on dual-upper-state design[J]. Applied Physics Letters, 2010, 96(24): 241107-1–241107-3.

[46] BAI Y. High wall plug efficiency quantum cascade lasers[D]. Evanston: Northwestern University, 2011.

[47] LYAKH A, SUTTINGER M, GO R, et al. 5.6 μm quantum cascade lasers based on a two-material active region composition with a room temperature wall-plug efficiency exceeding 28%[J]. Applied Physics Letters, 2016, 109(12): 121109-1–121109-3.

[48] KIM D H, JEONG H Y, CHOI Y S, et al. InGaAs-InAlAs quantum cascade lasers grown by using metal-organic vapor-phase epitaxy[J]. Applied Science and Convergence Technology, 2017, 26(5): 139–142.

[49] 李路. InGaAs/InAlAs/InP量子級(jí)聯(lián)激光器材料生長(zhǎng)與器件研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所, 2008.

LI Lu. Research on growth and fabrication of InGaAs/InAlAs/InP quantum cascade lasers[D]. Beijing: Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, 2008.

[50] FAIST J, CAPASSO F, SIRTORI C, et al. High power mid-infrared quantum cascade lasers with a molecular beam epitaxy grown InP cladding operating above room temperature[J]. Journal of Crystal Growth, 1997, 175(96): 22–28.

[51] LI J Y. Material Growth of InGaAs/InAlAs superlattices for quantum cascade laser application[D]. Baltimore County: University of Maryland, 2007.

[52] SCIANA B, BADURA M, DAWIDOWSKI W, et al. LP-MOVPE growth and properties of high Si-doped InGaAs contact layer for quantum cascade laser applications[J]. Opto-Electronics Review, 2016, 24(2): 95–102.

[53] WANG H, ZHANG J, CHENG F, et al. Watt-level, high wall plug efficiency, continuous-wave room temperature quantum cascade laser emitting at 7.7μm[J]. Optics Express, 2020, 28(26): 40155–40163.

[54] LYAKH A, PFLUEGL C, DIEHL L, et al. 1.6 W high wall plug efficiency, continuous-wave room temperature quantum cascade laser emitting at 4.6 μm[J]. Applied Physics Letters, 2008, 92(11): 111110-1–111110-3.

[55] SUTTINGER M, GO R, FIGUEIREDO P, et al. Towards 20-watt continuous wave quantum cascade lasers[C]// Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2018, 10639: 1063922-1–1063922-7.

[56] RAZEGHI M, SLIVKEN S, BAI Y, et al. High power quantum cascade lasers[J]. New Journal of Physics, 2009, 11(12): 125017-1–125017-13.

[57] BAI Y, BANDYOPADHYAY N, TSAO S, et al. Room temperature quantum cascade lasers with 27% wall plug efficiency [J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(18): 181102-1–181102-3.

[58] EVANS A, DARVISH S R, SLIVKEN S, et al. Buried heterostructure quantum cascade lasers with high continuous-wave wall plug efficiency[J]. Applied Physics Letters, 2007, 91(7): 071101-1–071101-3.

[59] BAI Y, SLIVKEN S, DARVISH S R, et al. Room temperature continuous wave operation of quantum cascade lasers with 12.5% wall plug efficiency[J]. Applied Physics Letters, 2008, 93(2): 021103-1–021103-3.

[60] LYAKH A, MAULINI R, TSEKOUN A, et al. High-performance continuous-wave room temperature 4.0 μm quantum cascade lasers with single-facet optical emission exceeding 2 W[C]// Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(44): 18799–18802.

[61] LYAKH A, MAULINI R, TSEKOUN A, et al. Multi-watt level short wavelength quantum cascade lasers[C]// Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2011, 7953: 79531L-1–79531L-10.

[62] TROCCOLI M, LYAKH A, FAN J, et al. Long-wave IR quantum cascade lasers for emission in the λ=8-12 μm spectral region[J]. Optical Materials Express, 2013, 3(9): 1546–1560.

[63] SCHWARZ B, WANG C A, MISSAGGIA L, et al. Watt-level continuous-wave emission from a bifunctional quantum cascade laser/detector[J]. ACS Photonics, 2017, 4: 1225–1231.

[64] FUJITA K, FURUTA S, SUGIYAMA A, et al. High-performance λ～8.6 μm quantum cascade lasers with single phonon-continuum depopulation structures[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2010, 46(5): 683–688.

[65] LYAKH A, MAULINI R, TSEKOUN A, et al. Multiwatt long wavelength quantum cascade lasers based on high strain composition with 70% injection efficiency[J]. Optics Express, 2012, 20(22): 24272–24279.

[66] MISSAGGIA L, WANG C, CONNORS M, et al. Thermal management of quantum cascade lasers in an individually addressable monolithic array architecture[C]// Proceedings of SPIE-the International Society for Optical Engineering, 2016, 9730: 973008-1–973008-8.

[67] BAI Y, SLIVKEN S, DARVISH S R, et al. High power broad area quantum cascade lasers[J]. Applied Physics Letters, 2009, 95(22): 221104-1–221104-3.

[68] ZHAO Y, YAN F, ZHANG J, et al. Broad area quantum cascade lasers operating in pulsed mode above 100 °C at λ～ 4.7 μm [J]. Journal of Semiconductors, 2017, 38(7): 074005-1–074005-4.

[69] SUTTINGER M, LESHINR,GO P, et al. Continuous wave power scaling in high power broad area quantum cascade lasers [C]// Proceedings of SPIE–The International Society for Optical Engineering, 2018, 10553: 105530P-1–105530P-8.

[70] HEYDARI D, BAI Y, BANDYOPADHYAY N, et al. High brightness angled cavity quantum cascade lasers[J]. Applied Physics Letters, 2015, 106(9): 091105-1–091105-4.

[71] HUANGY, RYOU J H, DUPUIS R D, et al. Optimization of growth conditions for InGaAs/InAlAs/InP quantum cascade lasers by metalorganic chemical vapor deposition[J]. Journal of Crystal Growth, 2011, 316(1): 75–80.

[72] GREEN R P, KRYSA A B, ROBERTS J S, et al. Room-temperature operation of InGaAs/AlInAs quantum cascade lasers grown by metalorganic vapor phase epitaxy[J]. Applied Physics Letters, 2003, 83(10): 1921–1922.

[73] WANG C A, SCHWARZ B, SIRIANI D F, et al. MOVPE growth of LWIR AlInAs/GaInAs/InP quantum cascade lasers: impact of growth and material quality on laser performance[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017, 23(6): 1200413.

[74] WANG C A, SCHWARZ B, SIRIANI D F, et al. Sensitivity of heterointerfaces on emission wavelength of quantum cascade lasers[J]. Journal of Crystal Growth, 2017, 464: 215–220.

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(qiáng), 張宇露, 等.中遠(yuǎn)紅外高功率量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 遙測(cè)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(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（J2019-V-0015-0110）經(jīng)費(fèi)資助；航天科技集團(tuán)有限公司青年拔尖項(xiàng)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?yàn)榱孔蛹?jí)聯(lián)激光器芯片設(shè)計(jì)和制造。

高志強(qiáng) 1990年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閷捳{(diào)諧和高功率量子級(jí)聯(lián)激光器。

張宇露 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閷捳{(diào)諧和高功率量子級(jí)聯(lián)激光器。

黃 彥 1990年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷捳{(diào)諧和高功率量子級(jí)聯(lián)激光器。

史 青 1982年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楣饫w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?yàn)楹教焯胤N傳感器與傳感系統(tǒng)技術(shù)研究。

(本文編輯：潘三英)