長光所研發新型量子級聯激光器

日前，中科院長春光機所孟博研究員團隊提出了一種高腳杯型（Goblet-shaped）波導結構的量子級聯激光器，實現了室溫低功耗激光輸出。該研究成果以"Low power dissipation goblet quantum cascade laser"為(wei) 題目，發表在《激光與(yu) 光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）上。

中紅外波段被稱為(wei) "分子指紋區"，眾(zhong) 多氣體(ti) 和生物分子的振動-轉動能級躍遷均發生在此波段，因此在氣體(ti) 傳(chuan) 感、環境監測、醫學診斷等領域具有不可替代的應用價(jia) 值。然而，中紅外量子級聯激光器（QCL）麵臨(lin) 功耗高、工藝複雜、成本昂貴等瓶頸，嚴(yan) 重製約了便攜式紅外係統的實用化進程。

高腳杯型波導結構

該結構的核心設計思想是：通過選擇性濕法刻蝕有源區，使有源區寬度遠小於(yu) 上下包層寬度，形成類似"高腳杯"的截麵形貌。這一設計兼具三大優(you) 勢：

工藝簡化：完全摒棄了傳(chuan) 統低功耗器件必需的半絕緣InP（SI-InP）側(ce) 向再生長工藝，大幅降低了製造成本並提升了良率。

電流注入優(you) 化：保留較寬的上包層，確保均勻高效的電流注入。

熱管理增強：擴展的InP包層提供了額外的散熱通道，有效緩解了SiO2鈍化層造成的熱瓶頸。

Goblet量子級聯激光器

低功耗性能

研究團隊製備了超過50個(ge) 不同尺寸的高腳杯型QCL器件，係統評估了其光電性能。關(guan) 鍵成果包括：

低室溫連續波（CW）功耗：對於(yu) 1 mm × 3 μm器件，在室溫（293 K）下實現了CW閾值功耗約1 W，脈衝(chong) 閾值功耗低至0.85W

高輸出功率：該器件在室溫CW條件下輸出功率達27 mW以上；在低溫（243 K）下，CW最大輸出功率達83 mW，脈衝(chong) 模式下達130 mW

優(you) 異電光轉換效率：室溫下脈衝(chong) 模式壁插效率（WPE）達3.9%，CW模式達1.6%；低溫下分別提升至6.4%和4.9%，性能與(yu) 掩埋異質結構器件相當。

Goblet量子級聯激光器的性能表征

高可靠性

團隊對器件進行了長達25小時的連續運行可靠性測試。在翻轉電流點驅動下，器件CW輸出功率穩定在370 mW，最大功率波動僅(jin) 1.9 mW，充分驗證了高腳杯型結構在高功率注入下的熱穩定性與(yu) 結構魯棒性。

Goblet量子級聯激光器的可靠性表征

單頻激光

令人矚目的是，最窄的2 μm寬器件在整個(ge) 電流動態範圍內(nei) 均實現了穩定的單模激射，邊模抑製比約20 dB，電流調諧速率達0.14 nm/mA。這一單模特性源於(yu) 窄波導中模態增益的降低所導致的模式閾值抬升效應，且無需任何波長選擇元件，為(wei) 片上集成單頻中紅外光源提供了新思路。