量子级联激光器（QCL）是中红外波段重要的激光光源，其中，可调谐中红外量子级联激光器具有单纵模、频率可调谐的优点，成为目前研究的热点。可调谐中红外量子级联激光器主要通过分布反馈（DFB）光栅、分布布拉格反射（DBR）光栅、外腔衍射光栅等方法实现。其中，外腔结构调谐方法中亦可分为两种结构：一种为利用衍射光栅调谐出射波长的方法；一种为集成结构器件。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的科研团队在《太赫兹科学与电子信息学报》期刊上发表了以“中红外可调谐量子级联激光器研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为刘莹，通讯作者为王雪敏研究员，主要研究方向为中红外及太赫兹量子级联器件。
本文介绍了中红外量子级联激光器的基本原理，分别归纳、总结了近年来DFB、DBR可调谐量子级联激光器以及外腔可调谐量子级联激光器的研究进展，讨论了各种可调谐方法的优缺点。最后，对可调谐量子级联激光器的发展趋势进行了展望。
2012年美国Corning公司报道了一种利用取样布拉格（SG-DBR）光栅进行波长调谐的QCL，结构如图1所示。该公司在2014年再次报道DBR 光栅可调谐QCL，该激光器能够在高温度（80 ℃）下实现连续波大功率输出，脉冲功率可达2 W，激光器可实现稳定的单纵模工作，边模抑制比30 dB，增益波长4.5 μm，调谐范围5 cm⁻¹，如图2所示。
图1 SG-DBR光栅可调谐量子级联激光器结构示意图
图2 测试光谱图
通过近些年DBR-QCL的发展可以看出，DBR 结构在QCL中的应用并不广泛，因为相比于DFB以及外腔量子级联激光器（EC-QCL），DBR-QCL一般调谐范围较小，高功率和宽调谐范围同时实现较难。单纵模稳定性还不能达到应用的需求，并且控制DBR激光器调谐参数实现气体检测的高分辨力和宽调谐范围更加复杂，所以此种激光器，尤其在中红外波段，在光谱气体传感中的应用并未得到有效的验证，基于DBR光栅的可调谐QCL有待进一步发展。
基于DFB光栅结构的可调谐QCL
近年来，基于DFB原理的可调谐QCL逐渐发展。2012年，美国西北大学量子器件研究中心采用SG-DFB结构对激光器进行调谐，结构如图3所示。
图3 可调谐DFB量子级联激光器
该团队还探索将数字级联光栅用于QCL中，即由多个取样光栅组成的具有不同的Bragg波长和相同的取样周期，通过这种方式补偿非增益中心区，利用电调谐该器件实现了236 cm⁻¹的调谐范围，边模抑制比大于20 dB，激射中心波长4.65 μm，如图4所示。
图4 数字级联光栅示意图
从DFB-QCL研究现状可以看出，DFB-QCL的发展及应用都比DBR-QCL成熟且广泛，SG-DFB激光器调谐范围可实现200~300 cm⁻¹，连续功率可以达到百毫瓦级，已经应用于气体检测中，DFB激光器具有较好的波长及功率的稳定性，波长调谐的复杂性也较低，较DBR光栅结构容易控制。目前DFB及DBR光栅结构的QCL的工作波长普遍在4~8 μm，对于8~15 μm中红外波段的研究较少，随着波长的增加，激光器性能迅速衰减，这是由于随着波长增加，上能级寿命降低，导致粒子数反转条件很难达到，注入能级向低能级的泄漏会增加，由于载流子吸收导致波导损耗增加，散热特性较差。这些因素都制约着中红外QCL的发展，基于中红外波段良好的应用前景，对该波段可调谐QCL的研究具有重要意义。
EC-QCL相比于以上2种激光器的性能更加优越，可以获得更大的调谐范围、功率以及更窄的线宽，也是研究人员研究的热点。典型的EC-QCL结构有Littrow结构和Littman结构，Littrow结构用衍射光栅的一级衍射进行波长选择，如图5所示。光栅与激光器后端面形成谐振，经过波长选择的零级衍射光通过衍射直接输出，实现压窄线宽和高的边模抑制比，通过改变光栅角度改变选择的波长。
图5 Littrow结构和Littman结构示意图
2016年，中科院半导体所报道了一种低阈值的ECQCL，如图6所示。采用Littrow结构，在衍射光栅外侧增加一面反射镜，零级衍射光经反射镜反射后输出。通过调节光栅角度实现128 cm⁻¹波长调谐（6.78~7.43 μm）。
图6 外腔可调谐量子级联激光器
2017年，中科院半导体所利用衍射光栅对4个QCL单管进行了合束，4个单个管芯分别封装在不同的热沉上，依次前后排列，如图7所示。
图7 合束结构示意图
2018年，荷兰Radboud University报道了一种可调谐EC-QCL，以及基于此激光器对丙酮的直接吸收和二次调谐波长吸收光谱。激光器工作波长在8 μm附近，实验采用Littrow结构对QCL进行调谐，结构如图8所示。
图8 外腔量子级联激光器结构示意图
2018年美国Harvard University报道了一种基于注入锁定的可调谐EC-QCL，采用一款商用的激光器对F-P腔量子级联激光器进行光注入，如图9所示。2019年，德国柏林大学物理研究所报道了一种可调谐EC-QCL，结构如图10所示。在光栅与QCL之间增加分束器，在光栅与QCL之间谐振的激光通过分束器和反射镜输出，这样能够将输出功率提高到33%。
图9 光注入法外腔可调谐QCL结构示意图
图10 增加分束器的Littrow结构
EC-QCL激光器输出功率和调谐范围以及光谱宽度在一定程度上不可同时获得，并且激光器输出功率一定程度上取决于光路的设计，即使量子级联激光器芯片的功率较高，也会有很大一部分功率保留在腔内，利用程度不高。研究人员不断从激光器外延生长、外腔结构等方面不断探索以提高性能。从外腔量子级联激光器的研究现状中可以看出，外腔量子级联激光器已逐渐发展成熟。5 μm波段附近ECQCL性能相对比较优越，与更长波长的激光器相比，5 μm波段附近QCL外延生长复杂程度较低，技术相对成熟。激光功率最高能够达到5 W以上水平，调谐范围也比较大，能够实现500 cm⁻¹左右的调谐。而波长在8 μm及以上的QCL芯片在外延生长控制方面较为复杂，所以此波段外腔激光器输出激光功率相比5 μm波段略低，能够达到百毫瓦级，调谐范围大于300 cm⁻¹。基于该波段激光器发展水平以及重要应用，此波段激光器具有很大的研究价值，该波段激光器性能的进一步提升，将会对其在光谱检测、自由空间光通信及国防领域的应用产生推动作用。
外腔集成中红外光子器件
外腔集成器件因其结构紧凑、调谐速率快等优点也受到广泛关注，以SOI、Ge基材料集成外腔结构为代表，如果能够进一步集成化将对QCL的应用产生巨大的促进作用。目前SOI是最成熟的光子器件，随着器件集成化不断向长波方向发展，而SOI波导中波长大于4 μm的光损耗较大，目前已经尝试了很多种替代方案，如蓝宝石上硅薄膜、氮化硅、多孔硅、悬空硅、绝缘体上锗硅、锗锡合金等。其中锗及锗锡合金具有更宽的透明范围（2~15 μm），下一步将成为光子器件研究的热点，但目前面临QCL管芯无法与无源光子器件集成封装的问题，阻碍了无源光子器件的进一步应用，外腔集成器件具有很大的发展空间。
2019年该团队再次利用Geon-SOI材料制备外腔集成DBR结构对5.1 μm波长的QCL进行波长调谐，结构图如图11所示，通过电注入改变光栅两侧材料的温度，DBR光栅的折射率发生变化从而实现波长调谐。最终实验获得了50 nm的调谐范围。
图11 Ge-on-SOI材料DBR反射器结构
2017年，美国西北大学电子工程与计算机科学系量子器件中心报道了一种集成的可调谐QCL，如图12所示。2018年，美国加州大学基于Ge-on-Si材料制备了7×8阵列波导光栅，操作波长4.7 μm，如图13所示。
图12 激光合束结构示意图
图13 阵列波导光栅SEM图
总之，经过20多年的发展，QCL已发展为中红外波段重要的激光光源，中红外可调谐QCL必将得到更多的研究。首先，中红外可调谐QCL的波长将会向长波方向继续拓展，这也将进一步促使外延结构设计及生长技术的进一步提升，室温下操作的中红外可调谐QCL将具有更高的可靠性，功耗也将不断降低。随着中红外可调谐QCL结构研究的不断深入，DFB、DBR等集成结构将逐步替代外腔可调谐QCL，虽然外腔调谐技术可以显著扩大调谐范围，但由于光学系统对机械振动的敏感性不能满足精密光学的要求，大光栅质量、体积等因素限制了扫描速度，可挖掘的技术潜力受限。而DFB、DBR等集成器件目前面临调谐带宽窄、调谐速率慢、功率不稳定的问题，调谐带宽主要依赖于增益介质和结构设计。其次，中红外可调谐QCL下一步发展方向将在提升激光器增益带宽的同时重点研究光栅的结构设计，保证QCL增益介质的全带宽被充分利用，并且着力解决调谐过程中随着调谐波长的变化功率不稳定的问题。目前，大部分可调谐QCL主要依赖于热调谐，尽管较电调谐具有更快的调谐速率和稳定性，但仍不能满足光通信和化学传感领域的应用需求，理想情况下DFB-QCL调谐1 cm⁻¹的时间约为140 ns，而实际操作中，由于高性能的连续可调谐DFB/DBR-QCL一般具有有效的热封装，导热性能优越，并且电流必须在器件允许的范围内，导致实际调谐速度会降低10 倍，所以解决这一矛盾、获得快速可调谐DFB/DBR-QCL是重要发展方向。最后，通过对新材料、新结构的不断探索，逐步实现窄线宽、宽调谐范围、快调谐速率、功率稳定、集成化是可调谐QCL的发展方向，同时激光器的斜率效率、单纵模特性以及光束质量将不断得到提升。
综上所述，通过可调谐QCL的研究进展可以看出，4~8 μm波段的QCL技术比较成熟，激光器功率、线宽性能较为优越，基于此特点，针对该波段激光器的衍生研究也更加丰富，因此，在DBR、DFB、外腔Littrow/Littman结构以及外腔集成结构器件等方面均有进展，并且基于外腔Littrow结构的可调谐QCL更容易获得宽调谐范围和窄光谱线宽，由于外腔Littrow结构机械特性，调谐速率普遍低于DBR、DFB光栅结构；此波段外腔集成型可调谐结构还处于实验探索阶段，损耗、调谐等特性需要进一步优化。8 μm以上波段QCL仍需更多的基础性研究，如外延结构设计及生长技术等，以提高性能，促进应用，此波段结构探索更多研究集中于利用DBR、DFB光栅结构实现单纵模、窄线宽特性，外腔Littrow结构更多用于实现可调谐性能。近几年，美国西北大学、哈佛大学、俄罗斯圣光机大学、比利时根特大学等纷纷开展对量子级联激光器的研究，并取得很大进展。随着应用需求的升级，器件集成化、小型化、一体化是必然趋势，8~15 μm量子级联激光器芯片以及其外腔集成封装将得到进一步的研究和发展。
DOI: 10.11805/TKYDA2021386
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