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新設計進一步拓展量子級聯雷射器的能力
2012-9-29  瀏覽量:14199

量子級聯雷射器
新設計進一步拓展量子級聯雷射器的能力

量子級聯雷射器的最新進展包括室溫下瓦級功率輸出、超過20%的電光轉換效率、更短波長、更窄頻寬,以及來自帶間量子級聯雷射器的新競爭。
Jeff Hecht

  在2012 年5 月舉行的CLEO 會議上,來自瑞士聯邦理工學院的Jérôme Faist 在演講中表示,量子級聯雷射器(QCL)的性能“已經超出了我的想像”。1994 年,他在貝爾實驗室工作時,曾針對第一台量子級聯雷射器發表了相關報導。[1] 他回憶道,第一台量子級聯雷射器只能在低溫下發射微弱的10mW 光功率,性能“簡直糟透了”。Jérôme Faist 說他從未預料到室溫條件下的量子級聯雷射器可以獲得瓦級功率輸出,並且能實現超過20% 的電光轉換效率!現有的先進設計及加工工具使得這些高性能量子級聯雷射器成為現實,並使它們成為感測器、精密測量裝置以及軍事對抗等紅外(IR)應用中的關鍵工具。

通過量子阱實現級聯
  前蘇聯物理學家R.F. Kazarinov 和R.A. Suris 於1971年首次提出了量子級聯雷射器的概念,在此前一年,世界上第一台室溫條件下連續運轉的二極體雷射器問世。[2] 他們提議通過一堆量子阱中的級聯電子獲得量子阱子帶間的躍遷,以實現鐳射運轉。

  起初,他們的建議並不被人看好。子帶間躍遷的吸收峰很窄,並且輻射壽命為亞皮秒量級,因此它們的自發發射比二極體雷射器所採用的帶間躍遷要小得多。然而,Faist 稱:“發光二極體效率低並不意味著雷射器效率低。”通過一系列量子阱獲得的電子級聯,能夠產生比自發輻射效率高的多的受激發射。對這一問題的認識,以及採用分子束外延方法生長的具有絕佳介面的極薄層,使得量子級聯雷射器在貝爾實驗室誕生了。

  最初的演示系統僅能在低溫下輸出毫瓦量級脈衝,但這已為進一步的性能提高開闢了道路。電子可以通過20-200 個量子阱級聯,並且在中紅外波段的每次躍遷中僅損耗很小的能量。沿整個量子阱堆施加電壓,能夠減小克服接觸電阻所消耗的那部分電壓,因此其非常經濟高效。

  設計靈活性是量子級聯雷射器的主要優點之一。它們的性質很大程度上取決於裝置結構而非半導體化合物,並且工作範圍覆蓋了中紅外直到太赫茲波段,大致對應波段為3~300μm。設計人員可以採用其他半導體雷射器所採用的結構,例如掩埋式異質結以及分佈回饋。採用外腔設計可以獲得超過中心波長10% 的調諧範圍。

  優化量子級聯雷射器是一個複雜的過程,因為它需要在多種因素之間折中考慮。Faist 稱最新的數值模擬工具,可以利用遺傳演算法估計設計參量變化帶來的影響,從而實現自動化設計。[3]

功率與效率
  軍事上對高功率中紅外光源的興趣推動了瓦級量子級聯雷射器的發展。2009 年,美國Pranalytica 公司一個由美國國防部先進研究項目局(DARPA)資助的研究小組,報導了室溫下連續運轉、輸出功率3W 的4.6μm 量子級聯雷射器,這在當時是最高的輸出功率。他們的新穎設計可以同時優化若干設計參量,從而將閾值電流密度降至0.86kA/cm2,並且將電光轉換效率提升到了12.7%。[4]


圖1:Daylight Solutions公司開發的熱鐳射筆。該系列產品可在3~20μm波段獲得100mW輸出,可用作鐳射筆、照明裝置或信號燈。

  去年, 美國西北大學量子裝置研究中心Manijeh Razeghi 的研究小組報導了波長4.9μm、輸出功率5.1W 的最高功率量子級聯雷射器。該裝置採用掩埋型脊結構,腔體長度和寬度分別為5mm 及8μm,並能獲得近似衍射極限的輸出光束。該裝置的淺阱設計,使得他們獲得了高達21% 的創紀錄的連續波功率效率,脈衝效率達到27%。[5]此前,他們還報導了在400μm 脊寬的波導中獲得波長4.4μm、峰值功率120W 的200ns 脈衝輸出,占空比為0.2%。[6] 圖2 顯示了室溫條件下,在多個波長處他們記錄的量子級聯雷射器的最高連續波功率。

  美國Daylight Solutions 公司的Erik Takeuchi 表示,商品化量子級聯雷射器能夠在4~5μm 的中紅外波段大氣窗口輸出2W 的衍射極限光束,可達到的最大功率取決於波長。他說,從物理學角度出發,量子級聯雷射器最高功率波長在6μm 附近,但由於大氣傳輸損耗較大,因此人們對該波長並不感興趣。目前,量子級聯雷射器可在8μm 處獲得1.5W 左右的較低功率輸出。

  迄今為止,量子級聯雷射器的最高效率是在低溫條件下實現的,此時內部量子效率可以超過80%。然而,直到2010 年以前,最高的電光轉換效率要比這一效率小一半。Razeghi的研究小組將5μm 量子級聯雷射器冷卻到40K,獲得了53% 的電光轉換效率。這是首台產生的紅外光多於熱量的量子級聯雷射器。[7]


圖2:西北大學量子裝置研究中心獲得的室溫條件下、單個量子級聯雷射器輸出的最高連續波功率。

波長及帶間級聯雷射器
  量子級聯雷射器的重要制約因素之一在於波長小於4μm 時,它們的性能會變差,這是由砷化物量子阱系統的限制造成的。解決該問題的方法之一是將銻化物添加到量子級聯雷射器結構中。在2012 年的CLEO 會議上,英國Dundee 大學的一個研究小組介紹了室溫下銻化物量子級聯雷射器在3.2μm波段調諧範圍可以達到85nm。[8]但銻化物需要特別的加工技術,並且Faist 研究小組報導了脈衝運轉的無銻化物量子級聯雷射器能夠在3.3μm 波段獲得450nm 的調諧範圍[9,10]。

  與此同時, 此前主要工作在3~4μm 波段的帶間級聯雷射器(ICL)正在向更長波長邁進。如圖3 所示,帶間級聯雷射器是量子級聯雷射器與常規二極體的混合產物。儘管電子通過一系列量子阱級聯,但它們在導帶與價帶之間躍遷以獲得光輸出,這一點與二極體相似。隨後電子遂穿到下一個量子阱,與量子級聯雷射器相似。

  2011 年,美國海軍研究實驗室Jerry Meyer 的研究小組展示了重摻雜電子數量,從而將帶間級聯雷射器在室溫下的閾值電流密度降至170A/cm2, 並且將電光轉換效率提升至13.5%。[11] 這使得帶間級聯雷射器的輸出波長能夠向更長波長移動,並且在更長波長它們的低輸入功率對那些低功耗應用(例如傳感)而言更具吸引力。Meyer在CLEO 會議上表示:“我們的帶間雷射器輸出波長可以超過6μm。”他的研究小組已經演示了室溫條件下5.6μm 波長處的連續波運轉,以及在190 K 低溫條件下9.4μm 波長處的脈衝運轉。[12]

  美國俄克拉何馬大學的一個研究小組採用等離子波導帶間級聯雷射器獲得了更長波長輸出。在CLEO會議上,他們報導了166 K 條件下單個雷射器可以獲得10.3μm 的連續光輸出。奇怪的
是,該裝置在125 K 時的發射波長為9.0μm,但在150 K 時則跳到更長波長。該現象至今還沒有理論解釋。[13]

頻率梳及寬頻寬
  中紅外光譜學家已經將頻率梳的較弱單頻分量輸出作為種子注入到量子級聯放大器中,以獲得精確校準的波長輸出。由於增益恢復時間僅為0.3ps,這比高性能量子級聯雷射器腔內幾十皮秒的往返渡越時間短得多,因此很難從量子級聯雷射器獲得鎖模運轉。這似乎阻止量子級聯器產生飛秒頻率梳。

  然而在CLEO 會議上,Faist 稱除了令超短脈衝在鎖模雷射器中往返傳輸外,還有其他產生頻率梳的方法。關鍵在於鐳射發射是週期性的,並且能夠重複腔的往返渡越頻率。因此擁有低群速度色散的理想頻率調製鐳射光譜,可以看作一系列離散的、等頻率間隔的頻率梳。


圖3:通過帶間躍遷發射的鐳射二極體(a)與量子級聯雷射器(b)以及帶間級聯雷射器的比較。在鐳射二極體中,導帶電子與單個量子阱中的空穴複合,從而通過帶間躍遷發射。在量子級聯雷射器中,單個電子通過一系列量子阱躍遷,並且每次在量子阱子帶間躍遷發光。在帶間級聯雷射器中,電子在量子阱中向右運動,空穴向左運動。每個量子阱都會產生新的電子-空穴對。在兩種級聯雷射器中都施加高的偏壓,但量子級聯雷射器僅摻雜電子,而帶間級聯還包括p摻雜以產生空穴。

  在CLEO 會議上,Faist 的學生Andreas Hugi 報導了在自由運轉寬頻量子級聯雷射器中獲得了7μm 處490nm寬的頻率梳。單個頻率的拍頻線寬僅為10Hz。[14]

前景與應用
  量子級聯雷射器已經成為一種商用技術,應用包括毫瓦量級傳感應用,以及中紅外對抗、中紅外相機和熱相機用的鐳射筆等更高功率應用。Takeuchi 稱新的發展趨勢之一是將傳感應用拓展到14~16μm 波段,在此碳氫化合物的標誌將比中紅外波段更為與眾不同,而在中紅外波段它們之間有很多重疊。他還稱:“可以在更長波段很清晰地區分苯、甲苯以及二甲苯,這是一個絕佳的商業應用。”

  即便是沒有“制勝應用”,商用市場依然前景廣闊。Takeuchi 稱過去的六年間,量子級聯雷射器的成本已經下降了一個數量級。製造商們也已經建立起了在採用新技術前所需要的可靠性資料。Takeuchi 補充道,Daylight 公司對大約100 個裝置超過5.5 萬小時的總執行時間測試中,“還沒有發現裝置失靈”。直到現在,它們看起來非常棒。

參考文獻:
11. J. Faist et al., “Quantum cascade laser,” Science, 264, 553–556 (April 1994).
2. R.F. Kazarinov and R.A. Suris, “Possibility of amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice,” Fiz. Tekh. Poluprov., 5, 797–800 (1971); transl. in Sov. Phys. Semicond., 5, 707–709 (1971).
3. R. Terazzi and J. Faist, New J. Phys., 12, 033045 (2010).
4. A. Lyakh et al., “3 W continuous-wave room temperature single-facet emission from quantum cascade lasers based on nonresonant extraction design approach,” Appl. Phys Lett., 95, 14, 141113 (2009).
5. Y. Bai et al., “Room temperature quantum cascade lasers with 27% wall-plug efficiency,” Appl. Phys. Lett., 98, 181102 (2011).
6. Y. Bai et al., “High power broad area quantum cascade lasers,” Appl. Phys. Lett., 95, 221104 (2009).
7. Y. Bai et al., “Quantum cascade lasers that emit more light than heat,” Nat. Photon., 4, 99 (February 2010).
8. T. Kruczek et al., “3190–3275 nm tuneable, room temperature, external cavity InAs/AlSb Quantum Cascade Laser,” CLEO Tech. Dig., paper CF1K.6 (2012).
9. A. Bismuto et al., “Sb-free quantum cascade lasers in the 3–4 μm spectral range,” Semicon. Sci. Technol., 27, 045013 (2012); doi:10.1088/0268-1242/27/4/045013.
10. S. Riedi et al., “EC tuning of broadband QCL active region designs around 3.3 μm and 8 μm,” CLEO Tech. Dig., paper CF1K.2(2012).
11. I. Vurgaftman et al., “Rebalancing of internally generated carriers for mid-infrared interband cascade lasers with very low power consumption,” Nat. Commun., 2, 585 (Dec. 13, 2011); doi:10.1038/ncomms1595.
12. C.L. Canedy et al., “Improved interband cascade lasers for LAMBDA=3-5.6 µm,” CLEO Tech. Dig., paper CF1K.3 (2012).
13. L. Li et al., “Interband cascade lasers at long wavelengths,” CLEO Tech. Dig., paper CF3K.2 (2012).
14. A. Hugi et al., “Mid-IR broadband quantum-cascade laser frequency comb,” CLEO Tech. Dig., paper CTh3N.3 (2012).

摘自《鐳射世界》雜誌