近期，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所孟博研究員團隊在《light: science & applications》發表了題為 “Ultra-broadband single-stack mid-infrared semiconductor lasers grown by MOCVD”的研究論文。團隊提出了一種新型的中紅外單核量子級聯激光器有源區設計（MTC設計），實現了具有超寬增益譜和超寬室溫激光光譜的量子級聯激光器，成為寬調諧中紅外激光光源、超短脈沖生成以及中紅外光學頻率梳等前沿應用的關鍵器件。
受限于有源區能帶工程的設計復雜性，當前長波紅外單有源區量子級聯激光器的電致發光光譜半高全寬（FWHM）普遍低于600 cm-1（可以實現的光譜寬度遠不足1 μm），嚴重制約了其在寬帶光譜調控與精密測量等場景中的應用潛力。
對角多態-連續態設計
本研究團隊提出了一種基于對角躍遷的多能態-連續態（MTC）有源區設計方案，該結構采用應力補償材料體系構建。經優化設計后，兩個注入區能級（4和6）與有源區的上激光能級5形成了強耦合。電子可通過三個上激光能級（4-6）向下激光能級（1-3）進行對角躍遷，多個躍遷通道同時貢獻增益，顯著拓寬了有源區的增益帶寬。
超寬帶MTC設計量子級聯激光器的能帶圖
超寬電致發光譜
實驗中采用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）技術完成外延生長，并分別制備了mesa結構的和法布里-珀羅（FP）結構的量子級聯激光器器件。在脈沖條件下，對mesa結構器件在11 V到16 V的偏壓范圍內的電致發光（EL）光譜進行了測試。在溫度為298 K下，當偏置電壓為11 V時，EL光譜的最大半高全寬為75.6 meV，這一結果代表了目前在長波紅外波段中所實現的最寬EL寬度。
超寬帶MTC設計量子級聯激光器的振子強度與電致發光（EL）光譜的比較
超寬激光光譜
該器件在電流動態范圍內不同注入電流下的激光光譜特性如下：在閾值電流附近，器件呈現出窄帶激光光譜特性，其中心波長位于8.8 μm。在注入電流增至2.5 A的過程中，光譜寬度隨電流升高逐漸展寬，同時中心波長會呈現紅移趨勢，最終移至9.2μm。進一步增加電流至反轉電流時，激光光譜寬度會持續拓寬到1.2 μm，中心波長呈現藍移現象，最終穩定在8.0 μm。1.2 μm的光譜寬度代表了在室溫下單一有源區量子級聯激光器在相近波長下所能實現的最寬激光光譜。80 K下同一器件獲得1.93 μm激光譜寬。
超寬帶MTC設計量子級聯激光器室溫和低溫下的光譜
技術創新助力多維度應用
該成果成功攻克了單有源區QCL譜寬受限的關鍵難題，為構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。
本研究得到國家自然科學基金、吉林省科技發展計劃等項目的支持。長春光機所孟博研究員為本文通訊作者，長春光機所博士研究生劉鵬為本文的第一作者，南洋理工大學王岐捷教授等對本工作給予了重要幫助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02268-8
