近期，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所孟博研究員團(tuán)隊(duì)在《light: science & applications》發(fā)表了題為 “Ultra-broadband single-stack mid-infrared semiconductor lasers grown by MOCVD”的研究論文。團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的中紅外單核量子級(jí)聯(lián)激光器有源區(qū)設(shè)計(jì)（MTC設(shè)計(jì)），實(shí)現(xiàn)了具有超寬增益譜和超寬室溫激光光譜的量子級(jí)聯(lián)激光器，成為寬調(diào)諧中紅外激光光源、超短脈沖生成以及中紅外光學(xué)頻率梳等前沿應(yīng)用的關(guān)鍵器件。
受限于有源區(qū)能帶工程的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，當(dāng)前長(zhǎng)波紅外單有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)激光器的電致發(fā)光光譜半高全寬（FWHM）普遍低于600 cm-1（可以實(shí)現(xiàn)的光譜寬度遠(yuǎn)不足1 μm），嚴(yán)重制約了其在寬帶光譜調(diào)控與精密測(cè)量等場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。
對(duì)角多態(tài)-連續(xù)態(tài)設(shè)計(jì)
本研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于對(duì)角躍遷的多能態(tài)-連續(xù)態(tài)（MTC）有源區(qū)設(shè)計(jì)方案，該結(jié)構(gòu)采用應(yīng)力補(bǔ)償材料體系構(gòu)建。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，兩個(gè)注入?yún)^(qū)能級(jí)（4和6）與有源區(qū)的上激光能級(jí)5形成了強(qiáng)耦合。電子可通過(guò)三個(gè)上激光能級(jí)（4-6）向下激光能級(jí)（1-3）進(jìn)行對(duì)角躍遷，多個(gè)躍遷通道同時(shí)貢獻(xiàn)增益，顯著拓寬了有源區(qū)的增益帶寬。
超寬帶MTC設(shè)計(jì)量子級(jí)聯(lián)激光器的能帶圖
超寬電致發(fā)光譜
實(shí)驗(yàn)中采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)完成外延生長(zhǎng)，并分別制備了mesa結(jié)構(gòu)的和法布里-珀羅（FP）結(jié)構(gòu)的量子級(jí)聯(lián)激光器器件。在脈沖條件下，對(duì)mesa結(jié)構(gòu)器件在11 V到16 V的偏壓范圍內(nèi)的電致發(fā)光（EL）光譜進(jìn)行了測(cè)試。在溫度為298 K下，當(dāng)偏置電壓為11 V時(shí)，EL光譜的最大半高全寬為75.6 meV，這一結(jié)果代表了目前在長(zhǎng)波紅外波段中所實(shí)現(xiàn)的最寬EL寬度。
超寬帶MTC設(shè)計(jì)量子級(jí)聯(lián)激光器的振子強(qiáng)度與電致發(fā)光（EL）光譜的比較
超寬激光光譜
該器件在電流動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)不同注入電流下的激光光譜特性如下：在閾值電流附近，器件呈現(xiàn)出窄帶激光光譜特性，其中心波長(zhǎng)位于8.8 μm。在注入電流增至2.5 A的過(guò)程中，光譜寬度隨電流升高逐漸展寬，同時(shí)中心波長(zhǎng)會(huì)呈現(xiàn)紅移趨勢(shì)，最終移至9.2μm。進(jìn)一步增加電流至反轉(zhuǎn)電流時(shí)，激光光譜寬度會(huì)持續(xù)拓寬到1.2 μm，中心波長(zhǎng)呈現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，最終穩(wěn)定在8.0 μm。1.2 μm的光譜寬度代表了在室溫下單一有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)激光器在相近波長(zhǎng)下所能實(shí)現(xiàn)的最寬激光光譜。80 K下同一器件獲得1.93 μm激光譜寬。
超寬帶MTC設(shè)計(jì)量子級(jí)聯(lián)激光器室溫和低溫下的光譜
技術(shù)創(chuàng)新助力多維度應(yīng)用
該成果成功攻克了單有源區(qū)QCL譜寬受限的關(guān)鍵難題，為構(gòu)建面向中紅外頻率梳、高精度寬光譜傳感、成像及自由空間通信的集成化高效光源開辟了新途徑。
本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。長(zhǎng)春光機(jī)所孟博研究員為本文通訊作者，長(zhǎng)春光機(jī)所博士研究生劉鵬為本文的第一作者，南洋理工大學(xué)王岐捷教授等對(duì)本工作給予了重要幫助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02268-8
