【儀表網 研發快訊】近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)在中紅外量子級聯激光器片上寬譜調諧技術上取得重大突破，為發展高集成度、低成本的波長調諧技術開辟了新路徑。2025年9月8日，相關研究成果以“On-chip wide tuning of high-power quantum cascade laser based on a vertical-integrated heater”為題在線發表在《APL Photonics》上。
 

　　量子級聯激光器(Quantum cascade laser, QCL)作為一種單極性半導體光源，基于電子在多量子阱導帶子帶間的躍遷，通過對子帶間能級的設計與剪裁，已成為中紅外至太赫茲波段主流的半導體光源，在氣體檢測、醫療診斷、紅外對抗及空間光通信等領域具有重要科學意義和應用價值。
 

　　波長可調QCL在中紅外的“分子指紋”光譜區能夠主動匹配特定分子的特征吸收譜線，從而實現對痕量氣體的超高靈敏度與高選擇性探測。目前，基于外腔、單片集成DFB陣列、DBR及取樣光柵等方案相繼被提出并被驗證，其中外腔方案的光學設計復雜，陣列方案依賴于單管芯的調諧范圍。對于需在脈沖條件下工作的高峰值功率QCL，采用上述單片集成方案的調諧范圍很難突破1cm-1，使得需在脈沖偏置下工作的高峰值功率QCL實現寬譜調諧變得困難。因此，開發一種適用于高峰值功率QCL的片上寬譜調諧方案變得尤為迫切。
 

　　基于上述現狀，研究團隊提出一種基于垂直集成加熱器(VIH)的片上波長調諧中紅外QCL。通過電學與熱學建模及實驗驗證了其可行性，且無需二次外延，大幅簡化了器件制備工藝。通過對VIH進行DC電注入并調節其電流，波長可在1123.8 cm-1至1107.7 cm-1范圍內漂移，得到16.1 cm-1的調諧范圍。此外，通過集成三周期DFB結構，其波長從1140.19 cm-1調諧至1095.02 cm-1，實現了45.2 cm-1的更寬調諧范圍。這項工作為寬譜調諧中紅外激光源的片上集成提供了新思路。同時為其在光通信、氣體檢測及光譜分析中的應用提供了一種高效便捷的技術方案。
 

　　圖1(a)高功率片上波長調諧QCL器件示意圖。(b)VIH層直流電流從0至3.3 A變化的片上可調發射光譜；(c)SMSR值為30 dB的光譜圖；(d)調諧波長與對應輸出功率隨VIH層直流電流變化的關系曲線；(e)不同方案下的波長調諧范圍對比圖。

 

　　圖2(a)基于VIH的三波長DFB器件原理圖；(b)工作電流在15 A時，三波長器件的發射光譜；(c)三波長VIH-QCL片上寬調諧光譜圖。

 

　　該論文第一作者為量子院與中國科學院物理所聯培博士生周斌茹和量子院工程師張世晨，通訊作者為量子院陸全勇研究員和中國科學院半導體所卓寧副研究員。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和北京市科委等項目的支持。