量子級聯激光器（QCL）是中紅外波段重要的激光光源，其中，可調諧中紅外量子級聯激光器具有單縱模、頻率可調諧的優(yōu)點，成為目前研究的熱點。可調諧中紅外量子級聯激光器主要通過分布反饋（DFB）光柵、分布布拉格反射（DBR）光柵、外腔衍射光柵等方法實現。其中，外腔結構調諧方法中亦可分為兩種結構：一種為利用衍射光柵調諧出射波長的方法；一種為集成結構器件。
近期，中國工程物理研究院激光聚變研究中心的科研團隊在《太赫茲科學與電子信息學報》期刊上發(fā)表了以“中紅外可調諧量子級聯激光器研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為劉瑩，通訊作者為王雪敏研究員，主要研究方向為中紅外及太赫茲量子級聯器件。
本文介紹了中紅外量子級聯激光器的基本原理，分別歸納、總結了近年來DFB、DBR可調諧量子級聯激光器以及外腔可調諧量子級聯激光器的研究進展，討論了各種可調諧方法的優(yōu)缺點。最后，對可調諧量子級聯激光器的發(fā)展趨勢進行了展望。
基于Bragg光柵結構的可調諧QCL
基于DBR光柵結構的可調諧QCL
2012年美國Corning公司報道了一種利用取樣布拉格（SG-DBR）光柵進行波長調諧的QCL，結構如圖1所示。該公司在2014年再次報道DBR 光柵可調諧QCL，該激光器能夠在高溫度（80 ℃）下實現連續(xù)波大功率輸出，脈沖功率可達2 W，激光器可實現穩(wěn)定的單縱模工作，邊模抑制比30 dB，增益波長4.5 μm，調諧范圍5 cm?1，如圖2所示。
圖1 SG-DBR光柵可調諧量子級聯激光器結構示意圖
圖2 測試光譜圖
通過近些年DBR-QCL的發(fā)展可以看出，DBR 結構在QCL中的應用并不廣泛，因為相比于DFB以及外腔量子級聯激光器（EC-QCL），DBR-QCL一般調諧范圍較小，高功率和寬調諧范圍同時實現較難。單縱模穩(wěn)定性還不能達到應用的需求，并且控制DBR激光器調諧參數實現氣體檢測的高分辨力和寬調諧范圍更加復雜，所以此種激光器，尤其在中紅外波段，在光譜氣體傳感中的應用并未得到有效的驗證，基于DBR光柵的可調諧QCL有待進一步發(fā)展。
基于DFB光柵結構的可調諧QCL
近年來，基于DFB原理的可調諧QCL逐漸發(fā)展。2012年，美國西北大學量子器件研究中心采用SG-DFB結構對激光器進行調諧，結構如圖3所示。
圖3 可調諧DFB量子級聯激光器
該團隊還探索將數字級聯光柵用于QCL中，即由多個取樣光柵組成的具有不同的Bragg波長和相同的取樣周期，通過這種方式補償非增益中心區(qū)，利用電調諧該器件實現了236 cm?1的調諧范圍，邊模抑制比大于20 dB，激射中心波長4.65 μm，如圖4所示。
圖4 數字級聯光柵示意圖
從DFB-QCL研究現狀可以看出，DFB-QCL的發(fā)展及應用都比DBR-QCL成熟且廣泛，SG-DFB激光器調諧范圍可實現200~300 cm?1，連續(xù)功率可以達到百毫瓦級，已經應用于氣體檢測中，DFB激光器具有較好的波長及功率的穩(wěn)定性，波長調諧的復雜性也較低，較DBR光柵結構容易控制。目前DFB及DBR光柵結構的QCL的工作波長普遍在4~8 μm，對于8~15 μm中紅外波段的研究較少，隨著波長的增加，激光器性能迅速衰減，這是由于隨著波長增加，上能級壽命降低，導致粒子數反轉條件很難達到，注入能級向低能級的泄漏會增加，由于載流子吸收導致波導損耗增加，散熱特性較差。這些因素都制約著中紅外QCL的發(fā)展，基于中紅外波段良好的應用前景，對該波段可調諧QCL的研究具有重要意義。
基于外腔調諧的QCL（EC?QCL）
基于衍射光柵的EC-QCL
EC-QCL相比于以上2種激光器的性能更加優(yōu)越，可以獲得更大的調諧范圍、功率以及更窄的線寬，也是研究人員研究的熱點。典型的EC-QCL結構有Littrow結構和Littman結構，Littrow結構用衍射光柵的一級衍射進行波長選擇，如圖5所示。光柵與激光器后端面形成諧振，經過波長選擇的零級衍射光通過衍射直接輸出，實現壓窄線寬和高的邊模抑制比，通過改變光柵角度改變選擇的波長。
圖5 Littrow結構和Littman結構示意圖
2016年，中科院半導體所報道了一種低閾值的ECQCL，如圖6所示。采用Littrow結構，在衍射光柵外側增加一面反射鏡，零級衍射光經反射鏡反射后輸出。通過調節(jié)光柵角度實現128 cm?1波長調諧（6.78~7.43 μm）。
圖6 外腔可調諧量子級聯激光器
2017年，中科院半導體所利用衍射光柵對4個QCL單管進行了合束，4個單個管芯分別封裝在不同的熱沉上，依次前后排列，如圖7所示。
圖7 合束結構示意圖
2018年，荷蘭Radboud University報道了一種可調諧EC-QCL，以及基于此激光器對丙酮的直接吸收和二次調諧波長吸收光譜。激光器工作波長在8 μm附近，實驗采用Littrow結構對QCL進行調諧，結構如圖8所示。
圖8 外腔量子級聯激光器結構示意圖
2018年美國Harvard University報道了一種基于注入鎖定的可調諧EC-QCL，采用一款商用的激光器對F-P腔量子級聯激光器進行光注入，如圖9所示。2019年，德國柏林大學物理研究所報道了一種可調諧EC-QCL，結構如圖10所示。在光柵與QCL之間增加分束器，在光柵與QCL之間諧振的激光通過分束器和反射鏡輸出，這樣能夠將輸出功率提高到33%。
圖9 光注入法外腔可調諧QCL結構示意圖
圖10 增加分束器的Littrow結構
EC-QCL激光器輸出功率和調諧范圍以及光譜寬度在一定程度上不可同時獲得，并且激光器輸出功率一定程度上取決于光路的設計，即使量子級聯激光器芯片的功率較高，也會有很大一部分功率保留在腔內，利用程度不高。研究人員不斷從激光器外延生長、外腔結構等方面不斷探索以提高性能。從外腔量子級聯激光器的研究現狀中可以看出，外腔量子級聯激光器已逐漸發(fā)展成熟。5 μm波段附近ECQCL性能相對比較優(yōu)越，與更長波長的激光器相比，5 μm波段附近QCL外延生長復雜程度較低，技術相對成熟。激光功率最高能夠達到5 W以上水平，調諧范圍也比較大，能夠實現500 cm?1左右的調諧。而波長在8 μm及以上的QCL芯片在外延生長控制方面較為復雜，所以此波段外腔激光器輸出激光功率相比5 μm波段略低，能夠達到百毫瓦級，調諧范圍大于300 cm?1?；谠摬ǘ渭す馄靼l(fā)展水平以及重要應用，此波段激光器具有很大的研究價值，該波段激光器性能的進一步提升，將會對其在光譜檢測、自由空間光通信及國防領域的應用產生推動作用。
外腔集成中紅外光子器件
外腔集成器件因其結構緊湊、調諧速率快等優(yōu)點也受到廣泛關注，以SOI、Ge基材料集成外腔結構為代表，如果能夠進一步集成化將對QCL的應用產生巨大的促進作用。目前SOI是最成熟的光子器件，隨著器件集成化不斷向長波方向發(fā)展，而SOI波導中波長大于4 μm的光損耗較大，目前已經嘗試了很多種替代方案，如藍寶石上硅薄膜、氮化硅、多孔硅、懸空硅、絕緣體上鍺硅、鍺錫合金等。其中鍺及鍺錫合金具有更寬的透明范圍（2~15 μm），下一步將成為光子器件研究的熱點，但目前面臨QCL管芯無法與無源光子器件集成封裝的問題，阻礙了無源光子器件的進一步應用，外腔集成器件具有很大的發(fā)展空間。
2019年該團隊再次利用Geon-SOI材料制備外腔集成DBR結構對5.1 μm波長的QCL進行波長調諧，結構圖如圖11所示，通過電注入改變光柵兩側材料的溫度，DBR光柵的折射率發(fā)生變化從而實現波長調諧。最終實驗獲得了50 nm的調諧范圍。
圖11 Ge-on-SOI材料DBR反射器結構
2017年，美國西北大學電子工程與計算機科學系量子器件中心報道了一種集成的可調諧QCL，如圖12所示。2018年，美國加州大學基于Ge-on-Si材料制備了7×8陣列波導光柵，操作波長4.7 μm，如圖13所示。
圖12 激光合束結構示意圖
圖13 陣列波導光柵SEM圖
總之，經過20多年的發(fā)展，QCL已發(fā)展為中紅外波段重要的激光光源，中紅外可調諧QCL必將得到更多的研究。首先，中紅外可調諧QCL的波長將會向長波方向繼續(xù)拓展，這也將進一步促使外延結構設計及生長技術的進一步提升，室溫下操作的中紅外可調諧QCL將具有更高的可靠性，功耗也將不斷降低。隨著中紅外可調諧QCL結構研究的不斷深入，DFB、DBR等集成結構將逐步替代外腔可調諧QCL，雖然外腔調諧技術可以顯著擴大調諧范圍，但由于光學系統(tǒng)對機械振動的敏感性不能滿足精密光學的要求，大光柵質量、體積等因素限制了掃描速度，可挖掘的技術潛力受限。而DFB、DBR等集成器件目前面臨調諧帶寬窄、調諧速率慢、功率不穩(wěn)定的問題，調諧帶寬主要依賴于增益介質和結構設計。其次，中紅外可調諧QCL下一步發(fā)展方向將在提升激光器增益帶寬的同時重點研究光柵的結構設計，保證QCL增益介質的全帶寬被充分利用，并且著力解決調諧過程中隨著調諧波長的變化功率不穩(wěn)定的問題。目前，大部分可調諧QCL主要依賴于熱調諧，盡管較電調諧具有更快的調諧速率和穩(wěn)定性，但仍不能滿足光通信和化學傳感領域的應用需求，理想情況下DFB-QCL調諧1 cm?1的時間約為140 ns，而實際操作中，由于高性能的連續(xù)可調諧DFB/DBR-QCL一般具有有效的熱封裝，導熱性能優(yōu)越，并且電流必須在器件允許的范圍內，導致實際調諧速度會降低10 倍，所以解決這一矛盾、獲得快速可調諧DFB/DBR-QCL是重要發(fā)展方向。最后，通過對新材料、新結構的不斷探索，逐步實現窄線寬、寬調諧范圍、快調諧速率、功率穩(wěn)定、集成化是可調諧QCL的發(fā)展方向，同時激光器的斜率效率、單縱模特性以及光束質量將不斷得到提升。
結論
綜上所述，通過可調諧QCL的研究進展可以看出，4~8 μm波段的QCL技術比較成熟，激光器功率、線寬性能較為優(yōu)越，基于此特點，針對該波段激光器的衍生研究也更加豐富，因此，在DBR、DFB、外腔Littrow/Littman結構以及外腔集成結構器件等方面均有進展，并且基于外腔Littrow結構的可調諧QCL更容易獲得寬調諧范圍和窄光譜線寬，由于外腔Littrow結構機械特性，調諧速率普遍低于DBR、DFB光柵結構；此波段外腔集成型可調諧結構還處于實驗探索階段，損耗、調諧等特性需要進一步優(yōu)化。8 μm以上波段QCL仍需更多的基礎性研究，如外延結構設計及生長技術等，以提高性能，促進應用，此波段結構探索更多研究集中于利用DBR、DFB光柵結構實現單縱模、窄線寬特性，外腔Littrow結構更多用于實現可調諧性能。近幾年，美國西北大學、哈佛大學、俄羅斯圣光機大學、比利時根特大學等紛紛開展對量子級聯激光器的研究，并取得很大進展。隨著應用需求的升級，器件集成化、小型化、一體化是必然趨勢，8~15 μm量子級聯激光器芯片以及其外腔集成封裝將得到進一步的研究和發(fā)展。
