近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所孟博研究员团队提出了一种高脚杯型（Goblet-shaped）波导结构的量子级联激光器，实现了室温低功耗激光输出。该研究成果发表在光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》，论文题目为"Low power dissipation goblet quantum cascade laser"。第一作者为硕士研究生张乐全和博士研究生刘鹏，通讯作者为孟博研究员。

中红外波段被称为"分子指纹区"，众多气体和生物分子的振动-转动能级跃迁均发生在此波段，因此在气体传感、环境监测、医学诊断等领域具有不可替代的应用价值。然而，中红外量子级联激光器（QCL）面临功耗高、工艺复杂、成本昂贵等瓶颈，严重制约了便携式红外系统的实用化进程。

高脚杯型波导结构

该结构的核心设计思想是：通过选择性湿法刻蚀有源区，使有源区宽度远小于上下包层宽度，形成类似"高脚杯"的截面形貌。这一设计兼具三大优势：

工艺简化：完全摒弃了传统低功耗器件必需的半绝缘InP（SI-InP）侧向再生长工艺，大幅降低了制造成本并提升了良率。

电流注入优化：保留较宽的上包层，确保均匀高效的电流注入。

热管理增强：扩展的InP包层提供了额外的散热通道，有效缓解了SiO₂钝化层造成的热瓶颈。

Goblet量子级联激光器

低功耗性能

研究团队制备了超过50个不同尺寸的高脚杯型QCL器件，系统评估了其光电性能。关键成果包括：

低室温连续波（CW）功耗：对于1 mm × 3 μm器件，在室温（293 K）下实现了CW阈值功耗约1 W，脉冲阈值功耗低至0.85 W

高输出功率：该器件在室温CW条件下输出功率达27 mW以上；在低温（243 K）下，CW最大输出功率达83 mW，脉冲模式下达130 mW

优异电光转换效率：室温下脉冲模式壁插效率（WPE）达3.9%，CW模式达1.6%；低温下分别提升至6.4%和4.9%，性能与掩埋异质结构器件相当。

Goblet量子级联激光器的性能表征

高可靠性

团队对器件进行了长达25小时的连续运行可靠性测试。在翻转电流点驱动下，器件CW输出功率稳定在370 mW，最大功率波动仅1.9 mW，充分验证了高脚杯型结构在高功率注入下的热稳定性与结构鲁棒性。

Goblet量子级联激光器的可靠性表征

单频激光

令人瞩目的是，最窄的2 μm宽器件在整个电流动态范围内均实现了稳定的单模激射，边模抑制比约20 dB，电流调谐速率达0.14 nm/mA。这一单模特性源于窄波导中模态增益的降低所导致的模式阈值抬升效应，且无需任何波长选择元件，为片上集成单频中红外光源提供了新思路。

Goblet量子级联激光器的单频光谱

低功耗中红外激光助力应用拓展

该研究为便携式中红外传感系统、高速自由空间光通信、片上非线性光子学等前沿应用提供了兼具低成本、低功耗、高可靠性的激光光源解决方案。

本研究得到国家自然科学基金、吉林省科技发展计划等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71608