中红外量子级联激光器高性能集成研究

The mid-infrared quantum cascade laser (QCL) is pressing required for a wide range of important uses, such as medical diagnosis, free space communication, remote sensing and environmental pollution monitoring. Based on our prevenient achievements on room temperature continuous wave operated strain-compensated InGaAs/InAlAs QCLs, this project will focus on the study of QCL with integrated performance of high output power, wide tuning range and small divergence. (1) The room temperature operated high power QCL will be achieved by precise controlling of layers thickness, interfaces quality, strain, composition, modulated doping, and combined with tunneling epitaxy. (2) By embedding the equivalent phase shift grating into QCL structures, and exploring the novel distributed feedback modulation principles, the tunable range and output power extraction efficiency can be enhanced. (3) Special attention will be paid on construction of nanopores array and sub-wavelength metal grating structure on the emission window of substrate, and the related divergence calibration mechanism, paving a new route of realizing small divergence of optical field. After achieving room temperature continuous wave operation of single mode QCL of wavelength between 4 to 5 microns with integrated high performance, the trace gas detection applications will be proved.

中红外量子级联激光器（QCL）在医疗、通信、遥感、污染监测等方面有重要的应用需求。本项目拟在原有应变补偿InGaAs/InAlAs材料体系QCL的基础上，注入新的物理思想，实现高功率、宽调谐、低发散角的“分项高性能”的集成。（1）. 发展千层QCL材料的协同可控制备理论和技术以及沟道二次外延技术，奠基高功率QCL基础；（2）. 将等效相移光栅嵌套于QCL结构中，研究等效相移光栅对QCL的调控原理，通过采样周期和采样光栅占空比的特殊设计，提高光抽取效率和波长调谐范围；（3）. 在QCL结构的衬底面上构造纳米孔阵列和亚波长金属光栅，研究这些特定结构对QCL光场控制特征及其衍生的新现象，减小远场发散角。以此为基础，实现波长4-5微米的室温连续稳定工作的单模QCL的高性能集成并进行痕量气体检测验证。通过本项目研究，从基本原理、器件性能提高两方面促动创新，为发展我国的红外技术的前驱竞争力提供基础。

中红外量子级联激光器（QCL）在自由空间通信、遥感、毒品检查等方面有重要的应用需求。本项目在原有应变补偿InGaAs/InAlAs材料体系QCL的基础上，注入新的物理思想，实现了高功率、宽调谐、低发散角的“分项高性能”的集成。（1）发展了中红外QCL材料的可控制备理论，重点解决了材料结构参数中应变、层厚、组分、界面的系统控制，实现了千层异质结构材料的可控制备，研制出了室温连续高功率输出的QCL器件，波长4.7微米的QCL输出功率达到2W，室温脉冲60W，奠定了QCL材料基础；（2）研制出波长4.9 微米室温连续工作的低发散角、高功率面发射QCL，连续工作温度超过50°C、输出功率320mW、边模抑制比（SMSR）大于30dB；（3）用采样光栅技术研制出QCL激光器阵列并实现了室温连续工作，波长调谐范围为280nm、平均输出功率大于200mW；（4）利用纳米孔阵列、等离激元激光器光栅、金属狭缝光栅结构研制出超低发散角的QCL，实现了远场发散角的校准，脊宽方向发散角<3°、腔长方向发散角<0.3°；（5）以QCL为核心光源，采用波长调制技术、直接吸收技术进行CO、N2O、CO2气体测试，检测灵敏度分别为4ppb、5ppb、50ppb。.本项目自立项以来，严格按照任务书的要求开展科研工作，超额完成了所有的考核指标，并获得了多项有意义的成果，项目共发表了学术论文46篇，部分结果发表在Applied Physics Letter、IEEE Photonics Technology Letter、Photonics Research等国际著名杂志上，器件指标达到了国际先进水平，申请国家发明专利15项，培养毕业生8人，在读2人。