【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，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)提出了一種高腳杯型(Goblet-shaped)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的量子級(jí)聯(lián)激光器，實(shí)現(xiàn)了室溫低功耗激光輸出。該研究成果發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Laser & Photonics Reviews》，論文題目為"Low power dissipation goblet quantum cascade laser"。第一作者為碩士研究生張樂(lè)全和博士研究生劉鵬，通訊作者為孟博研究員。
中紅外波段被稱為"分子指紋區(qū)"，眾多氣體和生物分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷均發(fā)生在此波段，因此在氣體傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。然而，中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)面臨功耗高、工藝復(fù)雜、成本昂貴等瓶頸，嚴(yán)重制約了便攜式紅外系統(tǒng)的實(shí)用化進(jìn)程。
高腳杯型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)選擇性濕法刻蝕有源區(qū)，使有源區(qū)寬度遠(yuǎn)小于上下包層寬度，形成類似"高腳杯"的截面形貌。這一設(shè)計(jì)兼具三大優(yōu)勢(shì)：
工藝簡(jiǎn)化：完全摒棄了傳統(tǒng)低功耗器件必需的半絕緣InP(SI-InP)側(cè)向再生長(zhǎng)工藝，大幅降低了制造成本并提升了良率。
電流注入優(yōu)化：保留較寬的上包層，確保均勻高效的電流注入。
熱管理增強(qiáng)：擴(kuò)展的InP包層提供了額外的散熱通道，有效緩解了SiO?鈍化層造成的熱瓶頸。
低功耗性能
研究團(tuán)隊(duì)制備了超過(guò)50個(gè)不同尺寸的高腳杯型QCL器件，系統(tǒng)評(píng)估了其光電性能。關(guān)鍵成果包括：
低室溫連續(xù)波(CW)功耗：對(duì)于1 mm × 3 μm器件，在室溫(293 K)下實(shí)現(xiàn)了CW閾值功耗約1 W，脈沖閾值功耗低至0.85 W
高輸出功率：該器件在室溫CW條件下輸出功率達(dá)27 mW以上；在低溫(243 K)下，CW最大輸出功率達(dá)83 mW，脈沖模式下達(dá)130 mW
優(yōu)異電光轉(zhuǎn)換效率：室溫下脈沖模式壁插效率(WPE)達(dá)3.9%，CW模式達(dá)1.6%；低溫下分別提升至6.4%和4.9%，性能與掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件相當(dāng)。
高可靠性
團(tuán)隊(duì)對(duì)器件進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)25小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行可靠性測(cè)試。在翻轉(zhuǎn)電流點(diǎn)驅(qū)動(dòng)下，器件CW輸出功率穩(wěn)定在370 mW，最大功率波動(dòng)僅1.9 mW，充分驗(yàn)證了高腳杯型結(jié)構(gòu)在高功率注入下的熱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)魯棒性。
單頻激光
令人矚目的是，最窄的2 μm寬器件在整個(gè)電流動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的單模激射，邊模抑制比約20 dB，電流調(diào)諧速率達(dá)0.14 nm/mA。這一單模特性源于窄波導(dǎo)中模態(tài)增益的降低所導(dǎo)致的模式閾值抬升效應(yīng)，且無(wú)需任何波長(zhǎng)選擇元件，為片上集成單頻中紅外光源提供了新思路。
該研究為便攜式中紅外傳感系統(tǒng)、高速自由空間光通信、片上非線性光子學(xué)等前沿應(yīng)用提供了兼具低成本、低功耗、高可靠性的激光光源解決方案。
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。
引用：長(zhǎng)春光機(jī)所在低功耗中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器方面取得新突破----中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 【引用時(shí)間：2026年7月24日】
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