量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)內(nèi)涵及其應(yīng)用前景

毛登森

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

綜 述

量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)內(nèi)涵及其應(yīng)用前景

毛登森

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

20年來(lái),QCL已經(jīng)取得了飛速發(fā)展,在中波紅外對(duì)抗、痕量氣體檢測(cè)、THz通信等領(lǐng)域初步得到了應(yīng)用。本文從有源區(qū)方案設(shè)計(jì)及其優(yōu)化、安裝與封裝、光子晶體QCL等設(shè)計(jì)技術(shù),簡(jiǎn)要概述了量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)內(nèi)涵；簡(jiǎn)要分析了當(dāng)前QCL激光器研究熱點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀；最后從中波紅外對(duì)抗、痕量氣體檢測(cè)、THz通信等應(yīng)用技術(shù)方面,對(duì)QCL的技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

量子級(jí)聯(lián)激光器；中波紅外對(duì)抗；痕量氣體檢測(cè)；THz通信；II型帶間躍遷級(jí)聯(lián)激光器

0 引 言

量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum Cascaded Lasers，以下簡(jiǎn)稱“QCL”）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原理的新型單極半導(dǎo)體器件。在QCL中，出射激光波長(zhǎng)僅取決于導(dǎo)帶子帶的能量間隔，因此可以獲得中長(zhǎng)波激光；而且在同種材料體系中，可以通過(guò)半導(dǎo)體厚度和組分（如InxGa1-xAs/InyAl1-yAs）的能帶工程，改變各量子阱的寬度和間隔，改變躍遷能級(jí)之間的能量間隔ΔEc，改變出射激光的波長(zhǎng)。

另一方面，在QCL中，電子在發(fā)射激光后，仍保持在導(dǎo)帶中；電子可以通過(guò)注入到相鄰的有源區(qū)，再次發(fā)射光子。為了得到光子的這種級(jí)聯(lián)發(fā)射，有源區(qū)和電子注入?yún)^(qū)交替，并加適當(dāng)偏壓，形成能量階梯，每一階都發(fā)射光子，這是QCL可以高功率工作的主要原因。

20年來(lái)，QCL已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，在中波紅外對(duì)抗、痕量氣體檢測(cè)、THz通信等領(lǐng)域初步得到了應(yīng)用。本文從有源區(qū)方案設(shè)計(jì)及其優(yōu)化、安裝與封裝、光子晶體QCL等設(shè)計(jì)技術(shù)，簡(jiǎn)要概述了量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)內(nèi)涵；簡(jiǎn)要分析了當(dāng)前QCL激光器研究熱點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀；最后從中波紅外對(duì)抗、痕量氣體檢測(cè)、THz通信等應(yīng)用技術(shù)方面，對(duì)QCL的技術(shù)應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。具體如下：

1 QCL技術(shù)內(nèi)涵

1.1 有源區(qū)技術(shù)路線演進(jìn)

具有較高的內(nèi)量子效率是QCL獲得較高的電光效率和出射功率的關(guān)鍵。在QCL發(fā)展歷程中，先后提出了三阱垂直躍遷有源區(qū)、超晶格有源區(qū)、應(yīng)變補(bǔ)償量子阱有源區(qū)、束縛-連續(xù)躍遷有源區(qū)、四阱雙聲子共振有源區(qū)、非聲子共振設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等有源區(qū)設(shè)計(jì)方案[1]，代表了QCL技術(shù)演進(jìn)路線。這里簡(jiǎn)要介紹如下：

（1）三阱垂直躍遷有源區(qū)

世界上首例InGaAs/InAlAs QCL是采用三阱垂直躍遷有源區(qū)方案實(shí)現(xiàn)的。它由薄InAlAs層作為勢(shì)壘，緊密耦合三個(gè)InGaAs量子阱組成的，注入?yún)^(qū)的微帶完成連續(xù)有源區(qū)之間的共振載流子傳輸。在注入?yún)^(qū)沒有顯著的載流子弛豫，前一個(gè)有源區(qū)能級(jí)1與下一個(gè)有源區(qū)的能級(jí)3發(fā)生共振。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于避免了因外加偏壓過(guò)大使共振隧穿被抑制，從而造成激光器過(guò)早地停止工作。由于電流具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，即使能級(jí)1和3之間的共振被破壞，仍然存在從注入?yún)^(qū)向有源區(qū)的有效載流子注入，即有效共振隧穿注入是其最大的優(yōu)點(diǎn)。

（2）超晶格有源區(qū)QCL

超晶格有源區(qū)QCL的有源區(qū)由多個(gè)強(qiáng)耦合的量子阱組成，激光躍遷發(fā)生在微帶之間。由于在有源區(qū)和注入?yún)^(qū)之間進(jìn)行微帶傳輸，使得超晶格有源區(qū)QCL具有較大的電流承載能力與相應(yīng)的高功率輸出。由于基態(tài)壽命較短（τ21=0.2～0.4ps），因此，易于實(shí)現(xiàn)本征的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和在布里淵區(qū)邊界處具有高振子強(qiáng)度的激光躍遷性質(zhì)。因此，超晶格有源區(qū)技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)較大功率和高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

（3）應(yīng)變補(bǔ)償量子阱有源區(qū)

應(yīng)變補(bǔ)償量子阱有源區(qū)方案應(yīng)是三阱垂直有源區(qū)方案的改進(jìn)。Bour等人研究表明，采用更導(dǎo)帶不連續(xù)性ΔEc的有源區(qū)體系，可以進(jìn)一步提高QCL的工作溫度，然而，較大的ΔEc值，限制了QCL的短波激射極限，更重要的是，由于高能態(tài)子帶離阱口的能量間距太小容易使產(chǎn)生激光躍遷的高能態(tài)電子產(chǎn)生熱逃逸，這是QCL室溫工作時(shí)閾值電流過(guò)高的一個(gè)主要原因。應(yīng)變補(bǔ)償量子阱有源區(qū)方案的核心在于改變材料的組分（如在InP基的InxGa1-xAs/InyAl1-yAs中，使x＞53%，y＜52%），適當(dāng)增加ΔEc，是產(chǎn)生躍遷的上能級(jí)阱口的能量間隔增加，可以有效降低閾值電流。

（4）束縛-連續(xù)躍遷有源區(qū)

束縛-連續(xù)躍遷有源區(qū)方案是在三阱垂直有源區(qū)和超晶格有源區(qū)方案基礎(chǔ)上提出來(lái)的。束縛-連續(xù)躍遷有源區(qū)結(jié)構(gòu)由一個(gè)跨越整個(gè)周期的超晶格微帶組成，有源區(qū)的中心部位超晶格微帶較寬，在接近注入勢(shì)壘區(qū)的兩側(cè)時(shí)逐漸變窄。相應(yīng)地，波函數(shù)在進(jìn)入有源區(qū)時(shí)平緩衰減，在接近注入勢(shì)壘區(qū)時(shí)具有最大值。這種微帶結(jié)構(gòu)形式和波函數(shù)組態(tài)，將使電子在激光躍遷發(fā)生時(shí)，被散射到微帶中，并直接被傳輸?shù)较乱粋€(gè)周期，降低了電子被散射到基態(tài)能級(jí)的概率。這是一個(gè)比較具有競(jìng)爭(zhēng)力的方案，既具有了三阱垂直有源區(qū)有效共振隧穿的特點(diǎn)，兼具有超晶格有源區(qū)高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的優(yōu)勢(shì)。

（5）四阱雙聲子共振有源區(qū)

四阱雙聲子共振有源區(qū)是在三阱垂直躍遷有源區(qū)的第一個(gè)量子阱之前在設(shè)置一個(gè)薄阱層，這種有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)兼有三阱垂直有源區(qū)高注入效率的特點(diǎn)和超晶格有源區(qū)低激發(fā)態(tài)短壽命的特點(diǎn)，獲得了迤今為止最大輸出功率的QCL。

（6）非聲子共振設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[2]

當(dāng)今，大多數(shù)高性能的QCL已經(jīng)使用了雙聲子共振設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，它是獲得室溫連續(xù)波運(yùn)行的首個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)采用了自由度約束，限制了指定結(jié)構(gòu)內(nèi)可得到的優(yōu)化值。美國(guó)Pranalytica公司在不改變性能的情況下，通過(guò)操控量子能級(jí)的精確位置，成功地恢復(fù)設(shè)計(jì)的自由度。采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的QCL，室溫連續(xù)波下得到1.6W輸出功率，電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）為8.8%。

1.2 提高WPE技術(shù)途徑

電光轉(zhuǎn)換效率WPE是代表整個(gè)器件質(zhì)量的重要指標(biāo)。美國(guó)西北大學(xué)得到了美國(guó)國(guó)防先進(jìn)計(jì)劃局（DARPA）有效中紅外激光器（EMIL）計(jì)劃的支持，EMIL計(jì)劃的主要目標(biāo)是提高電光轉(zhuǎn)換效率。Pranalytica公司也得到DARPA No.W911QX-07-C-0041合同的部分支持，發(fā)展高功率和高電光效率QCL器件。綜合美國(guó)西北大學(xué)和Pranalytica公司實(shí)施電光轉(zhuǎn)換效率WPE改進(jìn)方案[3]，除改進(jìn)了有源區(qū)設(shè)計(jì)方案外，還采取了如下技術(shù)途徑：

（1）優(yōu)化有源區(qū)尺寸和有源區(qū)級(jí)數(shù)

Pranalytica公司通過(guò)理論分析和測(cè)試驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

（a）采用更長(zhǎng)的腔長(zhǎng)，輸出功率能夠增加，而電光轉(zhuǎn)換效率WPE沒有明顯的減少。這種方法可以從窄器件得到高功率，這使得受自加熱影響更少。理論分析表明存在最佳腔長(zhǎng)Lopt，對(duì)高反射率未鍍膜的4.6μm QCL，Lopt約等于3 mm。

（b）脊寬W和腔長(zhǎng)L之間的關(guān)系：較窄的脊寬才可以在室溫下連續(xù)運(yùn)行，減少脊寬可以得到更高的連續(xù)波運(yùn)行溫度；對(duì)于脊寬更寬的激光器，隨著脊寬的增加，在中心處積累了更多的熱，高占空比輸出功率降低可能屬于此效應(yīng)；相對(duì)較長(zhǎng)的腔能夠得到更高的工作溫度和輸出功率。較窄的脊和較長(zhǎng)的腔可以進(jìn)一步改進(jìn)高工作溫度和高功率輸出連續(xù)波運(yùn)行。

（c）增加有源區(qū)級(jí)數(shù)、增大每級(jí)有源區(qū)片載流子密度以及增大芯片尺寸（如寬度或長(zhǎng)度），已經(jīng)被證實(shí)在脈沖模式下輸出更高的峰值功率，但是它們中的絕大部分對(duì)連續(xù)波器件作用有限。

（2）掩埋式異質(zhì)結(jié)構(gòu)

掩埋式異質(zhì)結(jié)構(gòu)是提高器件性能非常成功的方法。在此結(jié)構(gòu)中，在QCL晶片上刻蝕激光脊，而后在它們周圍空間中生長(zhǎng)出熱傳導(dǎo)、電絕緣和光透明的材料。這種材料現(xiàn)在能有效地從超晶格側(cè)向移除熱量，同時(shí)側(cè)向波導(dǎo)邊緣上可以減少光損耗；減少了激光器脊上由熱膨脹、芯片焊接等產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)將熱耗散材料直接與激光器有源區(qū)接觸，改善熱傳輸。InP具有Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體非常高的熱導(dǎo)率（68W/m·K），在中長(zhǎng)波段具有高的透射率；利用InP：Fe側(cè)向再生的掩埋式異質(zhì)結(jié)構(gòu)已成為高性能QCL的有效標(biāo)準(zhǔn)。

（3）激光器脊周圍電鍍Au

美國(guó)西北大學(xué)經(jīng)證實(shí)，電鍍金可以使器件熱阻減少43%。各種情況對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 各種情況對(duì)比測(cè)試結(jié)果

（4）外延面向下固定安裝

外延面朝下焊合，可使產(chǎn)生熱的有源區(qū)更接近熱沉的接觸面，減少熱阻；采用高熱導(dǎo)率的襯底材料而且其熱膨脹系數(shù)與InP很好的匹配。在室溫下AlN陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)幾乎與InP完美匹配，使用AlN子底座和AuSn焊料可以實(shí)現(xiàn)QCL高可靠性安裝；人造金剛石具有更高的導(dǎo)熱率（大于1000W/m·K），采用金剛石使單個(gè)芯片室溫連續(xù)波功率達(dá)到了3W，最大WPE超過(guò)12.5%。

（5）高性能和高可靠性QCL的封裝

QCL的封裝對(duì)系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用非常重要，要能確保QCL器件乃至整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠。可以采用TEC制冷器有效消除QCL芯片自身產(chǎn)生的熱，并將熱量傳送到外部；此外，組件還需要把QCL光功率輸出有效耦合到外部。最后，整個(gè)封裝需要?dú)饷芙Y(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提升器件可靠性。如Pranalytica公司蝴蝶型QCL組件封裝，如圖1所示。

圖1 去頂蓋的密封蝴蝶型組件圖片

1.3 光子晶體QCL技術(shù)

QCL與傳統(tǒng)的帶間半導(dǎo)體激光器相比，輻射復(fù)合效率較低，因此存在較高的閾值電流密度，導(dǎo)致了嚴(yán)重的器件加熱等問(wèn)題。為了減少閾值電流密度，其中的方案之一在于增加反射鏡的發(fā)射率，提高諧振腔的質(zhì)量因子Q。諧振腔一端鍍高反射膜，已經(jīng)取得了進(jìn)展；光子晶體可以按激光波長(zhǎng)形成高反射膜，將QCL腔嵌入到光子晶體（PhC）結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步提高反射率，降低諧振腔損耗。

1維光子晶體已經(jīng)成功地應(yīng)用在垂直腔面發(fā)射激光器（VESELs）和分布反饋（DFB）激光器中。單片式空氣-半導(dǎo)體布拉格反射器的QCL（λ≈9.4μm），采用表面凹凸光柵作為光反饋，布拉格反射器代表了1維光子晶體，其反射率達(dá)到了80%，相比較晶體解理面的反射率僅為23%。

2維PhC在QCL腔周圍形成高反射率反射鏡，保證了對(duì)光的約束；將電流注入到光子晶體和QCL中心微腔中，光子晶體是有源的，有可能增加系統(tǒng)增益，降低器件損耗；由于QCL子帶躍遷的橫磁偏振特性，發(fā)射的光子在垂直于量子阱平面方向不能傳播，2維的光子晶體可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)3維光子晶體結(jié)構(gòu)；光子晶體可以大幅減少總的器件尺寸，也相應(yīng)地減少了器件發(fā)熱和激光閾值電流密度。

在前人理論研究基礎(chǔ)上，美國(guó)西北大學(xué)通過(guò)仿真，得到2維光子晶體結(jié)構(gòu)尺寸如下：柱直徑1.5μm、晶格周期3.0μm、折射率2.4，可以實(shí)現(xiàn)高反射率窗口：中心波長(zhǎng)10μm，阻帶寬度4μm。根據(jù)此參數(shù)，美國(guó)西北大學(xué)設(shè)計(jì)制作了光子晶體QCL樣片，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了光子晶體QCL的可行性[4]。

1.4 內(nèi)腔式DFGTHz量子級(jí)聯(lián)激光器技術(shù)

到目前為止，所見報(bào)道的THz-QCL在3.9THz時(shí)最高工作溫度為186K，提高THz-QCL的工作溫度依然是最大的挑戰(zhàn)。基于差頻發(fā)生器（DFG）的THz源，不同于以基模振蕩器為基礎(chǔ)的THz-QCL，以中紅外QCL的二階非線性效應(yīng)為基礎(chǔ)，不受工作溫度的限制。DFG基THz-QCL的最大限制是功率轉(zhuǎn)換效率（即二階非線性極化系數(shù)），理論估值是1 mW/W2，已報(bào)道的室溫下實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換效率為5μW/W2。DFG-THz首次演示以9.2～10.8μm雙波長(zhǎng)有源區(qū)為基礎(chǔ)。得到的測(cè)試結(jié)果如下：

脈沖工作模式下：泵浦源激光脈沖寬度60 ns，占空比1.5%，室溫下單模工作，獲得了單模THz工作（～4 THz），在不同的工作電流下，波長(zhǎng)幾乎固定不變，信號(hào)線寬為6.6 GHz。

連續(xù)工作模式下：中紅外連續(xù)泵浦源總功率為2W，得到的THz功率為8.5μW，功率轉(zhuǎn)換效率大約為10μW/W2。

預(yù)計(jì)此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于4.4～4.5μm波段，并利用適當(dāng)?shù)姆蔷€性DFB方法，通過(guò)高功率泵浦源，有望可以得到更高性能的THz源[5]。

1.5 單模寬光譜調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)激光器

單模寬光譜調(diào)諧激光器是激光光譜儀實(shí)現(xiàn)痕量氣體檢測(cè)的核心部件，這里給出了單模寬譜調(diào)諧激光器的三種實(shí)施方案：溫度調(diào)諧分布反饋DFB激光器、寬增益光譜激光器和芯片上的寬帶分布反饋DFB激光器[6]。

（1）溫度可調(diào)諧DFB激光器

在分布反饋DFB激光器中，將衍射光柵刻蝕在激光器脊的上表面上，或注入?yún)^(qū)有源區(qū)之上的材料中，其上接著再生長(zhǎng)包堆層。光柵周期d決定了精確的波長(zhǎng)或者激光模式，并滿足布拉格條件λ= 2neffd，這里neff為波導(dǎo)的有效折射率，滿足條件的光衍射出光柵。通過(guò)溫度控制器改變激光器的工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)DFB QCL波長(zhǎng)可調(diào)。

（2）寬增益光譜激光器和外腔調(diào)諧QCL

在痕量氣體探測(cè)方面，常常需要QCL產(chǎn)品在近室溫環(huán)境下，具有更大的單模調(diào)諧范圍。在外腔（EC）調(diào)諧QCL中，由單個(gè)QCL產(chǎn)生的調(diào)諧范圍連續(xù)波約200 cm-1，脈沖超過(guò)300 cm-1，調(diào)諧范圍比典型的DFB QCL所提供的寬得多，這對(duì)于痕量氣體分析是十分期望的，可以同時(shí)探測(cè)多種化學(xué)物質(zhì)，允許繪制非常寬的吸收譜線圖。外腔結(jié)構(gòu)允許在可利用的QCL光譜覆蓋范圍選擇QCL波長(zhǎng)，而不需要改變激光器的芯片溫度。

在外腔可調(diào)諧寬光譜QCL激光器中，要得到連續(xù)可調(diào)諧，腔長(zhǎng)和光柵角度必須相互追蹤。其中一個(gè)三自由度的主動(dòng)調(diào)節(jié)寬調(diào)諧方案是：這三個(gè)自由度是光柵角度（精確光柵旋轉(zhuǎn)）、EC長(zhǎng)度（壓電換能器控制的光學(xué)元件）和芯片光學(xué)長(zhǎng)度（驅(qū)動(dòng)電流和/或芯片溫度），可利用查表識(shí)別出該激光波長(zhǎng)的正確參數(shù)值，作為所需要的波長(zhǎng)函數(shù)。

（3）芯片上的寬帶DFB激光器

DFB QCL陣列可以制作成覆蓋中波紅外的單模光源，比如利用束縛至連續(xù)態(tài)有源區(qū)設(shè)計(jì)得到了9μm附近85 cm-1單模激光波段。在同一芯片上集成這些器件，通過(guò)微電子控制器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)這些陣列。陣列激光器發(fā)射激光波長(zhǎng)間隔足夠小，使得QCL材料的增益光譜內(nèi)的任何波長(zhǎng)可以選擇其中的一個(gè)區(qū)間，調(diào)節(jié)它的溫度實(shí)現(xiàn)單模發(fā)射。為了得到陣列單元激光器標(biāo)稱的激光發(fā)射光譜，可以小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激光器溫度，或改變整個(gè)激光器熱沉的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.6 QCL多光束組合按比例功率放大技術(shù)

兩人回到陳蔡，見到孔子，遞上小米和干草?？鬃哟笙玻Ψ愿来箦伔潘久?，置大缸放水澇草。不一會(huì)兒，米飯香味撲鼻，人人吃得肚子滾圓。鍋巴當(dāng)?shù)准Z，頓頓都有米飯吃。喂馬的草同樣撈不完。熬米飯這天是臘月初八，后人為紀(jì)念孔子陳蔡解圍，每年臘月初八吃米飯，漸漸形成了習(xí)俗。

為了滿足中波紅外對(duì)抗等衍射限高功率激光輸出的需要，或在輸出光束中疊加不同的激光波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)按比例功率放大，這里給出兩種技術(shù)方案：

方案一、光譜光束組合（SBC）方案：即介質(zhì)反射鏡或者衍射光柵與波長(zhǎng)有關(guān)的反射率（透過(guò)率），可以按比例擴(kuò)大到更多的單獨(dú)發(fā)射器進(jìn)行組合，已經(jīng)應(yīng)用到4.5～5μm發(fā)射波長(zhǎng)的QCL[7]；

外腔中SBC方案如圖2所示。QCL線列產(chǎn)生的發(fā)散輸出光束由單透鏡（變換透鏡）準(zhǔn)直，而這種單透鏡把各個(gè)發(fā)射器的空間間隔轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)直光束的角差Δα。當(dāng)每一個(gè)激光器發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)節(jié)合適時(shí)，通過(guò)光柵衍射，產(chǎn)生一條共線輸出光束。從基本的光柵衍射理論得出相對(duì)于中心發(fā)射器位置的側(cè)向偏差△x，其波長(zhǎng)為λ0的輸出光束以入射角α0入射在光柵上，可通過(guò)波長(zhǎng)位移來(lái)一階近似補(bǔ)償，即為：

式中g(shù)表示光柵周期，f是變換透鏡的焦距。容易完成把適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)λ0+Δλ分配到每一個(gè)QCL，而且增加部分反射的平面輸出耦合鏡提供波長(zhǎng)選擇性光學(xué)反饋。按此方法，外腔一方面由QCL的背面形成，另一方面由輸出耦合鏡形成，而且用衍射光柵作為它們之間的內(nèi)腔波長(zhǎng)選擇元件。通過(guò)輸出耦合鏡發(fā)射的輸出光束是所有各個(gè)發(fā)射器輸出光束的共線疊加。

圖2 SBC EC-QCL裝置的基本布局

方案二、QCL與微透鏡陣列耦合方案：對(duì)于如目標(biāo)照明和主動(dòng)成像應(yīng)用，只需要準(zhǔn)直輸出光束，沒有必要重新聚焦光束到目標(biāo)上，近間隔的QCL陣列與光束準(zhǔn)直用的微透鏡陣列結(jié)合，可以提供輸出光束準(zhǔn)直方案，在遠(yuǎn)場(chǎng)重疊。

該方案使用放在QCL線列輸出面前的微透鏡陣列。每一個(gè)QCL都有自己的準(zhǔn)直光學(xué)，這就會(huì)產(chǎn)生一組間隔短的準(zhǔn)直輸出光束，而且彼此相互平行傳播。這些輸出光束相隔的中心間距等于QCL和透鏡陣列之間節(jié)距。由于有限的光束發(fā)射角，這些光束在遠(yuǎn)場(chǎng)完全重疊。這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于，與前面利用EC-QCL裝置的SBC方法相比，可以制造成非常緊湊和堅(jiān)固的激光器-透鏡組件，而且配準(zhǔn)的微透鏡陣列黏附到激光器熱沉上。

1.7 II型帶間躍遷級(jí)聯(lián)激光器（ICL）

1994年美國(guó)加利福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Rui.Q.Yang首先提出了II型帶間級(jí)聯(lián)激光器（ICL）的概念。InAs/AlSb/GaSb超晶格具有較大的導(dǎo)帶不連續(xù)，能提供非常好的自由載流子限制，而且GaSb、InAs及AlSb的晶格常數(shù)非常接近，有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量材料，因此它很適合做II型ICL的材料。理論預(yù)測(cè)它能夠在室溫下以連續(xù)波（CW）模式激射，且具有高的輸出功率和低的閾值電流密度。德國(guó)Nanoplus GmbH聯(lián)合維爾茨堡大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，已經(jīng)成功推出了3～6μm波長(zhǎng)范圍的ICL激光器。

2 QCL技術(shù)研究熱點(diǎn)及其現(xiàn)狀

近20年來(lái)，QCL技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，尤其在中波紅外4～6μm頻段，基本達(dá)到了實(shí)用化的程度。國(guó)外能夠提供量子級(jí)聯(lián)激光器貨架產(chǎn)品的廠家包括美國(guó)Pranalytica公司、Daylight Solution公司、THORLABS公司，日本Hamamatsu Photonics公司，加拿大Rayscience公司等。其中美國(guó)Pranalytica公司能夠提供寬光譜、波長(zhǎng)可調(diào)諧、波長(zhǎng)穩(wěn)定等產(chǎn)品，1101-XX-HP-XXXX器件中心波長(zhǎng)4.6μm最大功率可達(dá)4W；寬譜系列器件波長(zhǎng)從3.8～12 μm；可調(diào)諧QCL器件可調(diào)諧范圍為中心波長(zhǎng)約5%（單波長(zhǎng)可調(diào)MonoLux系列）或150nm（外光柵腔可調(diào)ChromaLux系列）[7]。

因此，當(dāng)前QCL研究熱點(diǎn)將集中在短波紅外（≤4μm）、長(zhǎng)波紅外（≥6μm）和THz頻段，以及引入光子晶體技術(shù)，降低電流閾值，提升器件性能等方面。具體如下：

2.1 短波紅外（λ＜4μm）QCL技術(shù)

QCL的頻率上限由限定量子阱的最大勢(shì)壘高度決定。到目前為止短波紅外QCL只實(shí)現(xiàn)了室溫脈沖運(yùn)行，主要難點(diǎn)在于材料生長(zhǎng)和熱管理。應(yīng)變平衡結(jié)構(gòu)InGaAs/InAlAs室溫連續(xù)工作最短波長(zhǎng)是3.4μm，短于3.0μm的更短波長(zhǎng)是可能的，但要以大幅降低工作溫度為代價(jià)。在3μm～4μm光譜范圍，另一項(xiàng)技術(shù)基于GaSb價(jià)帶和相鄰的InAs層導(dǎo)帶間的帶間光躍遷（II型ICL），如1.7所述。銻化物材料的制備技術(shù)不如InGaAs/InAlAs和AlGaAs/ GaAs III-IV族化合物那樣成熟。

在此波段，能夠提供貨架產(chǎn)品的是美國(guó)THORLABS公司等，采取F-P帶間激光器（ICLs）技術(shù)體制，工作波長(zhǎng)3.42μm（型號(hào)IF3420CM1）、3.55μm（型號(hào) IF3550CM1），輸出光功率30mW[8]。短于3.0μm的激光器實(shí)用產(chǎn)品未見報(bào)道。

2.2 長(zhǎng)波紅外（λ＞6μm）QCL技術(shù)

長(zhǎng)波紅外QCL面臨的主要挑戰(zhàn)是[9]：增加了與自由電子有關(guān)吸收損耗，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光學(xué)約束較弱，較薄波導(dǎo)和光學(xué)涂層的器件制作困難。事實(shí)上，自由電子吸收隨著波長(zhǎng)增加即αel～λn，在這里冪關(guān)系是在n=2～3范圍內(nèi)，而子帶間吸收隨著躍遷能量減少變得更強(qiáng)，這是因?yàn)樵谟性床牧献⑷?弛豫區(qū)域中低能級(jí)間的躍遷所需的動(dòng)量交換比高能級(jí)躍遷要少。

因?yàn)槠骷膸缀谓Y(jié)構(gòu)以及制作和設(shè)計(jì)的局限性，典型的有源導(dǎo)波芯厚度DAR=1.5μm～2.5μm范圍。因此，λMWIR/n＜DAR＜λLWIR/n，并且可以預(yù)計(jì)盡管中波紅外MWIR激光器具有了強(qiáng)約束特性，典型的是在85%范圍，但長(zhǎng)波紅外LWIR激光器不能達(dá)到相當(dāng)?shù)闹丿B因子，典型的是60～70%。

隨著激光波長(zhǎng)朝LWIR窗口的遠(yuǎn)紅外端移動(dòng)，所有這些因素促使器件性能逐漸惡化。通過(guò)圖3所示的激光器典型輸出功率與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的分布，得知，長(zhǎng)波輸出功率從λ≈7μm時(shí)總功率P=1W逐漸減少到λ≥11.5μm時(shí)P=10～100 mW。

圖3 AdTech公司典型制作的QCL掩埋式異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件室溫連續(xù)輸出功率與波長(zhǎng)的關(guān)系

長(zhǎng)波（8μm～16μm）QCL，著重于增加高溫下QCL的峰值和平均輸出功率。1997年首次演示了室溫脈沖運(yùn)行的8.5μm QCL，采用埋置異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合外延面朝下固定和反射鏡鍍膜，在～9μm處實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)波運(yùn)行。采用超晶格設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，周期數(shù)按比例縮放，真正演示了功率按比例縮放，在9μm處沒有觀察到明顯飽和，但功率要稍微取決于波導(dǎo)內(nèi)與波長(zhǎng)有關(guān)的損耗。

在長(zhǎng)波紅外（λ＞6μm）頻段，美國(guó)Pranalytica公司宣稱可以提供波長(zhǎng)～12μm的寬譜系列器件，但沒有6μm～12μm參數(shù)曲線，尚不能判斷其技術(shù)水平；美國(guó)THORLABS公司可以提供7.70μm（QF7700CM1，功率250 mW）、8.35μm（QF8350CM1，功率300mW）、9.15μm（QF9150CM1，功率180mW）、9.55μm（QF9550CM1，功率80mW）F-P激光器（如文獻(xiàn)[8]），也可以提供類似波段的DFB激光器。更長(zhǎng)波段的QCL未見報(bào)道。

2.3 THz-QCL技術(shù)

研制THz-QCL需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是如何實(shí)現(xiàn)有效的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，二是在THz范圍內(nèi)。由于存在嚴(yán)重的自由載流子吸收損耗，常規(guī)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不再適用。為了實(shí)現(xiàn)THz-QCL的有源區(qū)微帶間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，注入?yún)^(qū)應(yīng)設(shè)計(jì)成能量間隔大于LO聲子能量，而低能帶微帶又和多量子阱激光躍遷區(qū)的高能帶相對(duì)應(yīng)，注入?yún)^(qū)的高能帶電子因LO聲子的共振弛豫到低能帶微帶中，而后迅速通過(guò)共振隧穿進(jìn)入躍遷區(qū)的高能帶。產(chǎn)生激光躍遷的兩個(gè)能帶之間的間距小于LO聲子能量，這樣因聲子瓶頸效應(yīng)導(dǎo)致電子從高能態(tài)散射到低能態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。而作為THz-QCL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，應(yīng)是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的雙金屬薄膜結(jié)構(gòu)。

迤今，人們已采用AlGaAs/GaAs、AlGaN/GaN和SiGe/Si等體系材料，設(shè)計(jì)并制作了3～7 THz的QCL，目前這些THz-QCL的主要問(wèn)題是工作溫度和峰值功率偏低，工作溫度一直低于200 K徘徊，輸出光功率未獲得重大突破，還期待有源區(qū)設(shè)計(jì)、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)材料體系等方面取得突破。

另一可行的技術(shù)是基于差頻發(fā)生器（DFG）的量子級(jí)聯(lián)技術(shù)，如1.4所述。

加拿大Rayscience公司可以在1.8～5 THz范圍內(nèi)毫瓦級(jí)功率的Easy QCL系統(tǒng)，采用斯特林循環(huán)冷卻系統(tǒng)，部分產(chǎn)品參數(shù)如表2所示[10]：

表2 部分QCL規(guī)格

2.4 光子晶體QCLs設(shè)計(jì)與制作

將光子能帶工程和電子能帶工程相結(jié)合而研制成功的光子晶體QCL，為它在小型化和單片集成方面開辟了道路。由于目前平面制作工藝相對(duì)成熟，所以平面光子晶體是一種富有應(yīng)用前景的光子學(xué)器件。一般而言，一個(gè)表面發(fā)射光子晶體QCL的制作是采用通常的光子晶體的深蝕刻方法，將所需腐蝕的圖形穿過(guò)QCL有源區(qū)，直至下波導(dǎo)層。在具有較低折射率的下波導(dǎo)層腐蝕出二維光子晶體圖形與波導(dǎo)芯的圖形，這樣對(duì)導(dǎo)波起到有效的垂直限制作用。這種設(shè)計(jì)方法減少了輻射到襯底的衍射，同時(shí)提供了平面內(nèi)強(qiáng)反饋的高折射率差半導(dǎo)體-空氣二維光柵。

2維光子晶體的制作需要解決如下制作工藝、器件安裝和刻蝕掩膜制作等問(wèn)題：高深寬柱體的加工是困難的，具有很大的挑戰(zhàn)性，制作工藝還不太成熟；刻蝕掩膜是干法刻蝕的關(guān)鍵，掩膜的設(shè)計(jì)柱體完整性還不能得到保證：器件外延面朝下安裝，安裝過(guò)程中應(yīng)避免易碎的光子晶體柱體的損傷。詳細(xì)情況詳見1.3。尚未見到類似成熟產(chǎn)品的報(bào)道。

3 QCL技術(shù)應(yīng)用前景

QCL激光器應(yīng)用前景在于中波紅外和長(zhǎng)波紅外（包含THz）頻段可以得到的適當(dāng)功率的激光，以及半導(dǎo)體激光技術(shù)體制帶來(lái)良好的適裝性。QCL未來(lái)可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括：紅外對(duì)抗、痕量氣體檢測(cè)、THz通信等。這里分別簡(jiǎn)要分析如下：

3.1 紅外對(duì)抗系統(tǒng)

定向紅外對(duì)抗（DIRCM）是將紅外干擾光源的能量集中在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)，干擾或飽和紅外導(dǎo)引頭上的探測(cè)器和電路，使導(dǎo)彈丟失目標(biāo)，從而保護(hù)飛機(jī)免受紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈威脅。文獻(xiàn)[10]給出了國(guó)外定向紅外對(duì)抗裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向。QCL激光器由于體積小、重量輕，可室溫工作；與2.0μm或1.6μm固體激光器+OPO技術(shù)體制的干擾激光源相比，電光轉(zhuǎn)換效率高得多，具有更加良好的適裝性，工作波長(zhǎng)更適合調(diào)諧在中波紅外制導(dǎo)武器的峰值工作波段內(nèi)。QCL激光器技術(shù)上已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展[11]。2011年7月，Daylight Solutions公司公布消息稱基于QCL的紅外干擾機(jī)（QCL based Jamm IRTM）通過(guò)了美國(guó)空軍的測(cè)試，驗(yàn)證了干擾機(jī)可以有效保護(hù)大型飛機(jī)、小型飛機(jī)和旋翼直升機(jī)免受對(duì)付紅外制導(dǎo)武器（如肩扛式空防武器等）的威脅[12]。

3.2 痕量氣體檢測(cè)

激光光譜檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)痕量氣體檢測(cè)的主要手段。溫室效應(yīng)氣體CO2、CH4、N2O等，以及神經(jīng)毒氣、糜爛毒氣、爆炸物等氣體，與疾病診斷如哮喘、潰瘍、腎、肝、胸、肺、糖尿病、器官排異、精神分裂等有關(guān)的特征氣體，其基頻吸收譜線均落在2～14μm波段內(nèi)?；趩文捁庾V調(diào)諧QCL可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種痕量氣體檢測(cè)，具有體積小、重量輕、檢測(cè)速度快、適裝性好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療診斷、太空探索等領(lǐng)域?；诹孔蛹?jí)聯(lián)激光器的紅外光譜檢測(cè)技術(shù)已成為各發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)[13]。

美國(guó)AERODYNE Research公司，推出了兩款基于QCL的激光光譜儀，實(shí)現(xiàn)寬范圍大氣痕量氣體超高靈敏度探測(cè)。其中，雙激光量子級(jí)聯(lián)激光器痕量氣體監(jiān)視器主要技術(shù)參數(shù)[14]如下：

●兩臺(tái)激光可以同時(shí)實(shí)施測(cè)量；

●光學(xué)路徑長(zhǎng)度：76 m或210 m；

●幾何尺寸：530 mm×660 mm×710 mm；

●重量：72 kg；

●電功率：500 W，120/240V，50/60 Hz（帶Varian IDP-3真空泵）。

量子級(jí)聯(lián)激光器開路系統(tǒng)（QCLOPS）采用了Daylight Solutions股份有限公司提供的商用、寬調(diào)諧范圍、熱電制冷的脈沖QCL作為光譜儀光源，適用的路徑長(zhǎng)度大約為0.1～1.0 km。激光器的可調(diào)諧范圍很寬，使其有可能幾乎同時(shí)監(jiān)測(cè)大氣層較低部分的多種微量氣體，如臭氧、氨氣（NH3）和二氧化碳（CO2）等。2008年夏季，在中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了為期三個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[15]。2014年～2017年，安徽光機(jī)所將牽頭承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域“先進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備”重大項(xiàng)目[16]。

3.3 THz通信

太赫茲（THz）通常是指頻率在0.1～10 THz（波長(zhǎng)為0.03～3 mm）的電磁波，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡的頻段，在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。THz通信是未來(lái)THz領(lǐng)域的重要應(yīng)用，具有大氣不透明、帶寬寬、天線小、定向性好、安全性高和散射小等特點(diǎn)，決定了其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括衛(wèi)星間星際通信、同溫層內(nèi)空對(duì)空通信、短程地面無(wú)線局域網(wǎng)、短程安全大氣通信以及發(fā)展THz通信理論。

關(guān)于THz軍事通信的研究計(jì)劃也層出不窮，如：美國(guó)航空航天局（NASA）、美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室實(shí)驗(yàn)室（AFOSR）和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的傳感器研究部研究空軍成像，通信和預(yù)警用的緊湊創(chuàng)新的SiGe基THz源和探測(cè)器，歐盟第五框架計(jì)劃資助的WANTED工程及NanoTera工程[17]。

目前THz源發(fā)射器的研究主要有THz-QCL、差頻發(fā)生器（DFG）、參量振蕩器（TPO）及其它THz源發(fā)生器。在這些THz發(fā)射器中，THz-QCL具有電光轉(zhuǎn)換效率高，體積小、重量輕、適裝性好等優(yōu)點(diǎn)，是QCL的重要發(fā)展方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展曲線的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，當(dāng)前QCL產(chǎn)業(yè)應(yīng)處于產(chǎn)品化的關(guān)鍵階段，國(guó)際企業(yè)已經(jīng)基本完成技術(shù)積累，國(guó)內(nèi)企業(yè)開展QCL技術(shù)研究，時(shí)不容緩，機(jī)遇和挑戰(zhàn)同在。本文編寫過(guò)程中，直接引用了2012

年11月華北光電技術(shù)研究所信息中心翻譯和編寫的

《量子級(jí)聯(lián)激光器》資料專輯，在此謹(jǐn)表示衷心的感謝。

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[15]Quantum cascade laser open-path system for remote sensing of trace gases in Beijing，China.[J].Optical Engineering，2010，49（11）：pp.111125-1～-8.

[16]863計(jì)劃“先進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備”重大項(xiàng)目召開2014年度工作總結(jié)會(huì)[EB/OL].http：//www.aiofm. ac.cn/xwzx/ttxw/201504/t20150401_286181.html.（2015-4-1）.

[17]姚建銓.太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，22（6）：703-707.

Connotation of Quantum Cascaded Lasers Technology and Its App lication Prospect

MAO Deng-sen
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

Quantum cascaded lasers have been developing rapidly in the recent 20 years.The connotations of the QCL are simply represented in the followed aspects：the design schemes and optimizations of the laser's active regions，the chipmounting and laser's package，the design and fabrication of photo crystal QCL，etc.The focus of the research fields and technical levels on QCL recently are then analyzed.Finally，issues such as the application prospects of the QCLs of the middle IR countermeasures，and the detections of trace gases and the THz communications are described.

Quantum cascaded lasers；middle IR countermeasures；detections of trace gases；communication in THz band；Model IIof intersubband transitions cascaded lasers

TN248.4

A

1673-5692（2015）04-333-08

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.001

2015-05-12

2015-07-13

毛登森(1973—),男,河南省商水縣人,研究員級(jí)高工,主要研究方向?yàn)榧す饧夹g(shù)與激光應(yīng)用；

E-mail：mdscetc11@126.com