文|正经的烧杯

编辑|正经的烧杯

«——【·前言·】——»

量子级联激光器(QCL)是基于电子在量子阱中子带间的跃迁和声子辅助遂穿原理进行工作的，与普通的半导体激光器电子空穴复合发光的工作原理不相同，QCL的受激辐射过程只有电子参与，并且通过调节量子阱/垒层厚度进行调节子带间距从而调节波长。

2.5~25μm中红外波段对应的大气窗口，水汽、电磁散射吸收相对较少，因而在气体检测、医学检验、爆炸物探测、光谱学、激光制导、自由空间光通信等方面都有着重要的潜在应用价值。

在气体检测方面，3~14μm波段包含了多种分子的基频特征指纹吸收谱线，检测灵敏度较高，基于直接吸收光谱或波长调制等技术手段可用于对多种气体浓度、成分等进行检测，通过使用具有较高功率、较好光束质量以及窄线宽的激光，可以增加吸收气体的光程，从而提升检测的灵敏度。

此外系统的分辨力与激光器的线宽息息相关，窄线宽激光可分辨更小的光谱间隔，从而提升系统的分辨力。

相比于近红外激光，H2O、CO2对中红外波段激光吸收更低，利用中红外QCL代替近红外激光器，可以增加光通信距离及可靠性，所以中红外波段激光在自由空间光通信中具有更好的应用前景。

在这些应用中基本要求QCL应具有功率高、光束质量好、线宽窄、调谐范围宽、室温下工作稳定等性能。对于波长调谐，目前中红外QCL主要利用3种方法，分别为DBR光栅、DFB光栅和搭建外腔结构进行调谐。

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。

«——【·基于Bragg光栅结构的可调谐QCL·】——»

2012年美国某公司报道了一种利用取样布拉格(SamplingGratingDistributedBraggReflector，SG-DBR)光栅进行波长调谐的QCL，结构如图1所示。

该激光器波长调谐范围100cm-1，在调谐过程中，峰值功率从80mW增加到180mW，该激光器结构由两端SG-DBR光栅区、相移区、增益区4部分组成。

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2W，激光器可实现稳定的单纵模工作，边模抑制比30dB，增益波长4.5μm，调谐范围5cm-1，如图2所示。

2015年该公司利用同样的器件结构，通过优化光栅结构，实现100cm-1的调谐范围，边模抑制比30dB，激光器连续功率28.6mW，研究人员基于该激光器对N2O、CO气体的浓度进行了测试。

在此之前因基于DBR可调谐的QCL稳定性较差，几乎没有用于气体的测试，该实验证明了脉冲的中红外SG-DBRQCL在气体检测方面的可重复性和高稳定性，表明这种激光器在气体检测方面的巨大潜力。

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(ExternalCavityQuantumCascadeLaser，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年美国某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。

该器件腔长3mm，将整个腔长分为1.6mm和1.4mm，分别制作不同取样周期的光栅，以实现均匀的光频梳，每部分30对光栅，光栅周期753nm，器件脊波导宽度10μm，在脉冲条件下实现了大于100mW的输出功率，稳定的单纵模调谐50cm-1，边模抑制比24dB。

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236cm-1的调谐范围，边模抑制比大于20dB，激射中心波长4.65μm，如图4所示。

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200~300cm-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4~8μm，对于8~15μm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。

«——【·基于外腔调谐的QCL(EC‒QCL)·】——»

基于衍射光栅的EC-QCL：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。

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。

Littman结构是在Littrow结构基础上增加一个反射镜，激光器输出的光入射到光栅上，经过光栅衍射的光入射到反射镜上，反射镜将光反射到衍射光栅上再次衍射返回谐振腔，这种结构可以实现更窄的线宽，但增加了损耗。

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。

5μm波段附近EC-QCL性能相对比较优越，与更长波长的激光器相比，5μm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5W以上水平，调谐范围也比较大，能够实现500cm-1左右的调谐。而波长在8“m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5μm波段略低，能够达到百毫瓦级，调谐范围大于300cm-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、自由空间光通信的应用产生推动作用。

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(Silicon-On-Insulator)、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4μm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(2~15μm)，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。

«——【·结语·】——»

通过可调谐QCL的研究进展可以看出，4~8μm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。8μm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。

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，8~15μm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。