控制激光作用的物理机制产生本质上光谱狭窄的发光源，量子级联(QC)激光器也不例外。QC激光器，特别是因为它依赖于导带内受限电子态之间的子带间发射，产生比带间或其他激光源更窄的增益谱。
超宽带(3.3 - 12.5µm)单栈量子级联增益介质
自二十多年前发明以来，QC激光器由于其紧凑性，稳健性和高性能(高输出功率，可调性和波长可定制性)而成为许多实际应用中备受追捧的中红外源。然而，有光谱应用(如生物学)，其中分子的吸收特征是广泛的，因此需要单一激光源的宽波长可调性。为了实现广泛的可调性，已经报道了各种方法，如所谓的“绑定到连续体”和“连续到连续体”设计，以及多个增益介质的堆叠。
在这里，我们通过设计一种单堆栈增益介质来实现宽增益发射，该介质结合了QC激光器中两个相对较新的、不同的带结构设计概念:注入器基态与上激光态的超强耦合和超短注入器区域。
图1
我们的活动岩心设计(图1(a))采用了一个两井注入器，通过超薄屏障(0.8nm)将其与三井活动区域隔开。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)两种方法，在低掺杂InP:S衬底上生长出具有100次重复活性注入区的应变平衡InGaAs/InAlAs激光结构。
电致发光器件采用深蚀刻、直径130µm的半圆形平台，顶部触点为Ti/Pt/Au，底部触点为退火的Ge/Au/Ni/Au，并覆盖Ti/Au。将Fabry-Perot激光器制作成双沟槽深蚀刻脊波导激光器，采用380nm SiNx作为侧壁绝缘，并向下安装在复合金刚石底座上。为了进行测试，所有的台面和激光设备都安装在AlN上的直接结合铜衬底上。
电致发光(EL)光谱在不同温度和脉冲电流(80kHz重复频率;脉冲宽度100-500ns)，使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪进行步进扫描模式和ln2冷却MCT探测器，波长截止为12.5µm。在快速扫描模式下，使用相同的FTIR设置获得激光光谱。脉冲(200 ns;使用室温MCT检测器在80-300K的温度范围内测量了光电流-电压(LIV)特性。
图2
该设计在80K和297K下显示了超宽增益光谱(图2(a)和(b))，跨度超过一个倍频程(从3.3µm到12.5µm)。从图2(a)中随偏置场和电流增加的光谱演变可以看出，在80K时，单个跃迁更加清晰。从80K时IV曲线上的两个开启区域(图1 (b))来看，超短注入器和超强耦合状态所导致的明显转变也更为明显。偏振相关的测量进行了确认子带间发射。此外，通过MOCVD和MBE进行了两个独立的生长，并进行了仔细的成像，以证明宽带发射是设计固有的，而不是不均匀或不均匀生长的结果。
图3
图3(a)所示的温度依赖性LIV特性是脊宽为14.8µm，腔长为2.5mm的激光器。激光在180K和297K分别发射出2.4W和490mW的光谱集成峰值功率。该激光器具有129K的特征温度(T0)和较大的翻滚电流密度，表明由于超短注入器提高了电流注入效率。在80kV/cm偏置场下，激光光谱显示出以10.2µm、8.8µm和7.7µm为中心的三组模式。
EL测量表明，在宽范围的工作场和温度(80K-300K)下，单堆叠量子级联增益介质的波长发射跨越超过一个倍程(3.3 μ m至12.5 μ m)。利用这种增益介质制备的As-cleaved ridge激光器在室温下的输出功率可达100mw，激光发射距离可达3µm(从7.4µm到12.1µm)。
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