中红外带间级联激光器的研究进展

近日，睿创研究院及睿创光子团队在中红外带间级联激光器(interband cascade laser，icl)的研究取得重要进展，相关团队实现了高性能、室温连续工作、多个激射波长的带间级联激光器系列，结合分子束外延技术，在inas衬底上生长带间级联激光器材料，制备的窄脊器件室温激射波长接近4.6μm和5.2μm。
目前大部分带间级联激光器生长在gasb衬底上，而睿创团队报道的带间级联激光器生长在inas衬底上，波导包层由inas/alsb超晶格和高掺杂的inas层构成。相比于常见的gasb基带间级联激光器，inas基带间激光器在较长波长处(例如长于4.5μm)具有更低的阈值电流密度。
(a)4.6μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在20℃-64℃之间连续激射光谱;
(b)同一器件在20℃-64℃之间的连续电流-电压-功率曲线
对于4.6μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为292a/cm²;2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件的连续工作温度可达64℃，室温输出功率为20mw;在相近波长处为目前报道的最高连续工作温度。对于5.2μm波长的带间级联激光器，宽脊器件室温脉冲阈值电流密度为306a/cm²;2mm腔长和10μm脊宽的窄脊器件最高连续工作温度为41℃，室温输出功率为10mw;其中阈值电流密度在类似波长为报道的最低水平。
相关论文“high-temperature continuous-wave operation of inas-based interband cascade laser”(doi：10.1063/5.0171089)和“inas-based interband cascade laser operating at 5.17 μm in continuous wave above room temperature”(10.1109/lpt.2023.3335856)分别发表于applied physics letters 和ieee photonics technology letters。
(a)5.2μm波长、2mm腔长、10μm脊宽的器件在15℃-41℃之间连续激射光谱;(b)同一器件在15℃-41℃之间的连续电流-电压-功率曲线带间级联激光器是基于能带工程和量子力学产生激射，技术含量很高并且研制难点众多，是国家纳米和量子器件核心技术的重要体现，目前和量子级联激光器(quantum cascade laser，qcl)并列为重要的中红外激光光源，在环境监测、工业控制、医疗诊断和自由空间通信等领域具有重要的应用价值和科学意义。
带间级联激光器的原始概念由美国俄克拉荷马大学的杨瑞青教授(rui q. yang)于1994年首次提出，目前基本上都采用近晶格匹配的inas/gasb/alsb三五族材料体系来构造，有源区大多为inas/gainsb二类量子阱，其能力可覆盖从中红外到远红外的波长范围。
带间级联激光器结合了传统半导体二级管激光器和量子级联激光器的优势，与同样能覆盖中红外波段的量子级联激光器相比，具有更低的阈值功耗密度和阈值电流密度，这种极低功耗的优势在一些需要便携和电池供电设备的应用中显得非常重要。
目前全球带间级联激光器市场仍由国外企业占据主导地位，国内仍处于产业发展的初始阶段。本文报道的这两项工作标志着睿创光子在带间级联激光器的外延设计和器件制备等多个方面同时达到了较高的技术水平，成为国内首家实现高性能带间级联激光器的企业。该工作也为后续单模可调谐的dfb带间级联激光器的研发和量产打下了坚实的基础。