前沿--量子级联激光器的发展研究

1、前沿-量子级联激光器的发展研究自1960 年世界上第一台激光器问世以来，已经成功研制的满足不同需要的激光器有：固体激光器、半导体激光器、气体激光器、液体激光器、自由电子激光器、X 射线激光器、量子阱激光器、量子级联激光器、孤子激光器等。激光科学技术的发展，不仅形成许多重要的应用，而且还带动了多种学科的发展。1994 年美国贝尔实验室发明的量子级联激光器（Quantum Cascade Laser QCL）开创了具有基础性、战略性、前瞻性的半导体激光前沿领域。本文详细介绍了量子级联激光器的工作原理、结构、发展研究等。1 量子级联激光器的工作原理及基本结构与传统的二极管激光器不同，量子级联激光器由

2、量子半导体结构构成，基于带结构工程学设计且由分子束外延（MBE）技术生长。它是单极型激光器，只依赖一种载流子，在有外加电场的情况下，利用电子量子隧穿通过由一组耦合量子阱构成的注入区，到达由另一组耦合量子阱构成的有源区，导带激发态子能级电子共振跃迁到基态释放能量，发射光子并隧穿到下一级，成为下一级相似结构的注入电子，这样一级一级传递下去，经过多次的子带间跃迁，使其在光腔中达到激射所需增益，形成激光。其激射波长取决于半导体异质结构中由量子限制效应决定的两个激发态之间的能量差，而与半导体材料的能隙无关。因此，量子级联激光器的发明被视为半导体激光理论的一次革命和里程碑。量子级联激光理论的创立和量子级联

3、激光器的发明使中远红外波段高可靠、高功率和高特征温度半导体激光器的实现成为可能。如上所述，量子级联激光器的重要技术意义在于其波长。波长完全取决于量子限制效应，通过调节阱宽可调节激射波长。用同种异构材料，可跨越从中红外至次千米波区域很宽的一个光谱范围，其中一部分光谱对于二级管激光器是不易获得的。量子级联激光器利用源于量子限制效应的分立电子状态（图1），相应的能量子带几乎是平行的。结果导致电子发生辐射跃迁至更低子带（例如从n=3 到n=2），所发射的所有光子有相同的频率，能量为hv=E3- E2，这里h 是普朗克常量。如果粒子数反转在这些激发态中实现，即可产生激射发光。图1 量子级联激光器结构总的

4、来说，由于量子级联激光器是在子带间跃迁基础上的新型激光器，其工作原理与传统二极管激光器的工作原理有本质不同，并且激射波长可覆盖大部分中红外和部分远红外光谱区域。由于红外及THz 频率光谱的重要应用价值，使得量子级联激光器作为其可靠光源而在这十年间迅速发展。2 量子级联激光器产生的理论与实验基础量子级联激光器在1994 年由贝尔实验室的Federico Capasso 和Al Cho 发明，近年来发展很迅速，现已被美国物理学会的Alpes 激光等公司用作商业用途。其发明是在近十年对量子电子装置和分子束外延技术生长工程结构的研究基础上所取得的成果。贝尔实验室依赖对于量子阱和超晶格的早期研究，主要在

5、AlGaAs- GaAs 和AlInAs- InGaAs 材料系中进行研究，最终取得了这个重大发现。在Esaki 和Tsu 关于超晶格构想的重要论文之后，圣彼德堡Ioffe 学院的Kazarinov 和Suris 在1970 年计划在超晶格上加适当电压，通过光子协助隧穿，在光子能量等于量子阱基态与邻近导带量子阱激发态间能量差时，即带间子带的发光能量等于隧穿初态和终态电子能级的差异时，可以获得光的放大。这个计划包括在量子阱中子带间跃迁和隧穿基础上的一个新的连续中红外源，允许几个相同层的级联以便使一个电子在穿越过程中产生与层数目相同的光子。1974 年，由分子束外延技术生长的半导体中分立能级的存在

6、被贝尔实验室的Dingle、Henry 和Wiegmann 在光学吸收实验中证明。这对以后在子带间跃迁基础上发明的量子级联激光器有重大意义。在80 年代发展起来的带结构工程学，凭借合成电子材料和固态物理学中独特的输运装置，设计出了应用半导体异质结构体。当在带结构工程学基础上所构成的锯齿状异质结构上加一个适当电压，就形成了能量阶梯，而这能量阶梯正是实现跃迁发光的基础，并且在以后的量子级联激光器的设计中扮演了中心角色。分子束外延技术和带结构工程学的发展使得新的激光装置可以实现量子化的大小。在后来的发展中，应该被提及的还有量子阱激光器的发明。所有这些进步已被商业化，使高带宽光通讯和无线通讯成为可能。

7、1983 年，在THz（terahertz）频率的共振隧穿被Lincoln 实验室的Sollner 和他的合作者展示，这为以此现象为基础的装置应用提供了契机。Capasso、Cho、Sivco 和他们的同伴在1985 年开始对共振隧穿进行研究，并且逐渐把他们的精力集中在AlInAs- GaInAs 材料系上。这个物质的结合对于共振隧穿特别适合，因为边界物质的有效质量很低（m*=0.07me）并且存在大量非关联导带，这使得高电流密度和高峰谷电流比在室温下成为可能。1987 年，贝尔实验室的科学家展示了穿过很多周期多量子阱超晶格结构的连续共振隧穿。在接下来的几年，他们展示了第一个共振隧穿的双极晶体

8、管和多个相关的环形应用。1989 年，第一个由连续共振隧穿所激发的半导体超晶格子带间发射的红外光被Helm 等人观察到。在此之前，Kazarinov 和Suris 于1971 所提出的理论指出，光子协助隧穿可以产生光增益或红外发射，但在此基础上的超晶格或子带间跃迁所产生的红外辐射都是由于它们之间存在大量电偶极矩。而在这个新的装置中，电子首先被射入第一量子阱的激发态，并且通过发射光子的形式而弛豫，随后隧穿进入邻近阱激发态。这个过程在整个超晶格中被一直重复，从而产生大量光子。从这个装置中所发出的辐射来自最低的三个子带间跃迁。由于量子阱子带间跃迁只允许垂直偏振光传播，而这使得实验中对于光吸收和发射的

9、测量较为困难。为解决这一问题，科学家们通过在样品表面沉淀一个金属光栅的方法，本质上改变非垂直辐射传播。通过实验证明,8m 的光栅对于观测从子带4 到3 之间的跃迁最为有效。通过观测证明，由于连续共振隧穿可以使电子直接射入较高能量状态，所以连续共振隧穿对于激发辐射比光子协助隧穿是更为有效的手段。以上所介绍的分子束外延技术和带结构工程学的产生与发展，还有对半导体材料中共振隧穿的研究，都成为发明量子级联激光器的主要基础。3 量子级联激光器的发展简介在80 年代，对于子带间激光器有很多尝试，但在90 年代初大部分已被放弃。在贝尔实验室，关于制造这样一个电力泵浦的工作开始于1991 年，是在Jerome

10、 Faist 加入Capasso的小组之后，并于1994 年初取得了成功，他们发明了第一台量子级联激光器。1997 年，贝尔实验室发明并展示了超晶格活跃区量子级联激光器，此激光器的发光跃迁发生在宽的超晶格子带之间。这种激光器的高电流负载能力，对于同样的级数可以达到更高的光功率。此外，这种设计还有其它的好处，比如使子带间弛豫时间与子带内弛豫时间比率很大，从而自动的保证了粒子数反转。在原始的超晶格设计中，活跃区是被掺杂的，但这种设计却导致了高阈值。为解决这个问题，贝尔实验室设计了一种有空间变化壁垒的非掺杂超晶格活跃区。当加上适当数量级的电场后，不同阱的能量状态产生共振和杂交，这些能级被加宽并产生子

11、带。此结构的设计是一个重大发现，因为它使得脉冲在相对低的阈值时就可在室温下工作，并且峰值光功率达到了数百千瓦。此外，这种设计对于长波长激射也是有帮助的。在非掺杂超晶格活跃区激光器基础上，激射波长在2001 年被扩展到24m。还有另外两个关于超晶格量子级联激光器的革新值得被提及。其中之一是“无注入区”激光器，其中注入区的作用被一个设计巧妙的双量子阱阱间跃迁超晶格活跃区所取代。这种激光器的主要优点是活跃区更加紧凑且可以产生更强的光学限制。另一个提高超晶格量子级联激光器工作性能的设计由Gaetano Scamarcio 提出，这个关于发射区的新颖设计允许电子进入激发子带的高能态。超晶格活跃区的应用对

12、于量子级联激光器的发展是一个重要里程碑，它不仅提高了发射功率，也为较长波长激光器的发展奠定了基础。对于THz（Terahertz）波段，由于其广泛的应用前景，如在化学探测和天文学医学成像方面的应用，而引起了人们的极大兴趣。但由于大部分常见激光器难以实现THz 激射，使得THz 光源成为一个亟待解决的问题。1997 年，华裔科学家胡清研制出了在子带间跃迁基础上的电力泵浦可调THz 发射器，为以后THz 量子级联激光器的产生提供了基础。胡清等人在1999 年通过向阱材GaAs 中精确的加入微量Al，在得到三能级系统的同时又保持相对的窄线宽，通过E3 和E2 之间的阱间跃迁，得到了中心频率在2.57

13、THz 的自然发射。工作于THz 频率的子带间发射器被不断的改进，而无法实现足够强大的粒子数反转仍然是THz 激光器的最大困难。2001 年，通过实验证实相干共振隧穿对于加快电子离开较低能级比非相干连续隧穿更为有效，这是由于两个能量间隔较窄的子带间有强烈的空间重叠且电子输运效率被子带间快速的电子- 电子散射所提高。在2002 年，第一台工作于THz 波段的量子级联激光器被研制出来。此激光器是在半导体异质结构GaAs/AlGaAs 导带中子带间跃迁基础上THz 激光器，标准发射波长4.4THz，在50k 温度下电流密度阈值为几百A/cm2，可以达到大于2mW的高输出功率。THz 量子级联激光器的产生与发展解决了长久以来THz 光源缺乏的问题，使THz 频率光谱的广泛应用成为可能。但由于目前THz 量子级联激光器的工作温度还较低，对实际应用有一定困难，实现室温下的THz 激射将成为今后研究的重点。近几年来，我国的科研工作者也对量子级联激光器的原理与制造进行了研究。中国科学院半导体研究所已自行研制出中红外InGaAs/InAlAs 量子级联激光器。此激光器采用平板波导结构，其波导芯主要结构由25 级级联式耦合垂直跃迁三耦合InAlAs 量子阱激射有源区及InGaAs/InAlAs 超晶格弛豫/ 注入区构成。在80K 时阈值电流为0.5A，激射波长为5m。量子级联激光器的自行研制成功使我