北京量子信息科学研究院在片上宽调谐高功率量子级联激光器研究中取得新进展

　　近日，北京量子信息科学研究院(以下简称“量子院”)在中红外量子级联激光器片上宽谱调谐技术上取得重大突破，为发展高集成度、低成本的波长调谐技术开辟了新路径。2025年9月8日，相关研究成果以“On-chip wide tuning of high-power quantum cascade laser based on a vertical-integrated heater”为题在线发表在《APL Photonics》上。
 

　　量子级联激光器(Quantum cascade laser, QCL)作为一种单极性半导体光源，基于电子在多量子阱导带子带间的跃迁，通过对子带间能级的设计与剪裁，已成为中红外至太赫兹波段主流的半导体光源，在气体检测、医疗诊断、红外对抗及空间光通信等领域具有重要科学意义和应用价值。
 

　　波长可调QCL在中红外的“分子指纹”光谱区能够主动匹配特定分子的特征吸收谱线，从而实现对痕量气体的超高灵敏度与高选择性探测。目前，基于外腔、单片集成DFB阵列、DBR及取样光栅等方案相继被提出并被验证，其中外腔方案的光学设计复杂，阵列方案依赖于单管芯的调谐范围。对于需在脉冲条件下工作的高峰值功率QCL，采用上述单片集成方案的调谐范围很难突破1cm-1，使得需在脉冲偏置下工作的高峰值功率QCL实现宽谱调谐变得困难。因此，开发一种适用于高峰值功率QCL的片上宽谱调谐方案变得尤为迫切。
 

　　基于上述现状，研究团队提出一种基于垂直集成加热器(VIH)的片上波长调谐中红外QCL。通过电学与热学建模及实验验证了其可行性，且无需二次外延，大幅简化了器件制备工艺。通过对VIH进行DC电注入并调节其电流，波长可在1123.8 cm-1至1107.7 cm-1范围内漂移，得到16.1 cm-1的调谐范围。此外，通过集成三周期DFB结构，其波长从1140.19 cm-1调谐至1095.02 cm-1，实现了45.2 cm-1的更宽调谐范围。这项工作为宽谱调谐中红外激光源的片上集成提供了新思路。同时为其在光通信、气体检测及光谱分析中的应用提供了一种高效便捷的技术方案。
 

　　图1(a)高功率片上波长调谐QCL器件示意图。(b)VIH层直流电流从0至3.3 A变化的片上可调发射光谱；(c)SMSR值为30 dB的光谱图；(d)调谐波长与对应输出功率随VIH层直流电流变化的关系曲线；(e)不同方案下的波长调谐范围对比图。

 

　　图2(a)基于VIH的三波长DFB器件原理图；(b)工作电流在15 A时，三波长器件的发射光谱；(c)三波长VIH-QCL片上宽调谐光谱图。

 

　　该论文第一作者为量子院与中国科学院物理所联培博士生周斌茹和量子院工程师张世晨，通讯作者为量子院陆全勇研究员和中国科学院半导体所卓宁副研究员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和北京市科委等项目的支持。