基于量子级联激光器同质集成的多色光子集成电路：突破中红外光谱应用瓶颈

为解决量子级联激光器（QCLs）增益带宽有限，难以满足光谱学等应用需求的问题，研究人员开展了基于 InP 的中红外光子集成电路研究。结果表明可在同一 InP 晶体上集成不同 QCL 有源区，该成果为相关应用提供了新途径。

　　在神秘的微观世界里，中红外光谱（mid-IR，λ≈3 - 15μm）就像一把神奇的钥匙，它蕴含着众多分子基团振动模式对应的窄吸收线，能够帮助科学家们识别物质的化学和结构组成。传统依赖热光源的宽带红外光谱仪虽被广泛应用，但存在诸多不足。量子级联激光器（QCLs）的出现，给中红外光谱仪带来了变革，它具有体积小、可量产、电泵浦、线宽窄、亮度高等优势，近年来还能产生频率梳发射。然而，单个 QCL 的增益带宽有限，仅覆盖中红外波段的一小部分。为了满足光谱学应用对宽频谱的需求，拓宽 QCL 的增益带宽成为研究的关键焦点。虽然此前有研究通过开发多能级 QCL 有源区或生长异质堆叠有源区来拓宽带宽，但这些方法都存在一定的局限性，比如会导致激光器性能下降、热阻增加等。实际应用中，宽带光谱学、显微镜技术以及多物种气体传感等领域的 QCL 系统，只能采用自由空间光学装置，通过分束器或移动镜子来组合多个 QCL 芯片的输出，这种方式不仅复杂，而且成本较高。

为了解决这些难题，德国慕尼黑工业大学沃尔特?肖特基研究所（Walter Schottky Institute, Technical University of Munich）的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们成功演示了一种基于 InP 的中红外光子集成电路，该电路由在同一 InP 晶体不同区域生长的两个不同 QCL 有源区的晶圆加工而成。在生长 QCL 有源区之前，先在整个 InP 衬底上外延沉积一层 InGaAs 无源波导层，用于光学耦合激光器的发射，并将它们的发射波长复用到单个输出波导中。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，具有重大意义。它为开发覆盖整个中红外光谱范围的芯片级单片 QCL 光源开辟了新的可能性，有望在宽带光谱学、多物种气体传感、多波段自由空间通信等众多领域得到广泛应用。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是分子束外延（MBE）技术，用于生长不同的外延层结构，包括 QCL 有源区、波导层等；二是光刻和蚀刻技术，通过光刻定义图案，再利用反应离子蚀刻（RIE）等方法对不同的结构进行蚀刻加工；三是光学模拟和测量技术，对波导耦合效率、器件性能等进行模拟和实际测量。

下面来看具体的研究结果：

1. InP 上选择性量子级联激光器有源区生长：研究人员在 InP 晶圆上进行了选择性生长实验，通过两次外延生长制备了两个名义上相同的有源区。他们选择生长仅包含 15 个量子级联激光阶段的 QCLs，以降低热阻。实验结果表明，在晶圆上重新生长的 QCL 有源区对器件性能没有显著影响，光发射光谱位置和动态范围的微小差异在典型 MBE 参数漂移范围内。
2. 不同量子级联激光器有源区的光子集成：研究人员制备了带有被动波导层的 InP 晶圆，并在上面选择性生长了中心波长分别为 6.25μm 和 7.3μm 的 QCL 有源区，目标是检测 NO₂和 SO₂等痕量气体的吸收线。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，发现生长 / 重新生长的 QCL 部分之间的缺陷区域宽度约为 10μm，这表明该方法原则上可以实现非常高的不同器件集成密度。将这些有源区加工成法布里 - 珀罗（Fabry - Perot）脊形波导激光器和分布式反馈（DFB）激光器进行性能验证，模拟结果显示，QCL 模式向被动波导的耦合效率在 6.25μm 和 7.3μm 波长下均超过 80%，对应耦合器插入损耗小于 - 1dB。
3. 双色光子集成电路的性能：对制备的双色光子集成电路进行测试，结果显示由于 DFB 激光器制作过程中脊宽减小以及被动波导层厚度意外增加，导致器件阈值电流密度增加，激光性能相比法布里 - 珀罗器件有所下降。不过，两个器件在室温下仍实现了脉冲操作，且远场发射光束轮廓显示两种颜色的光束几乎完美重叠。在室温下，只有一个 DFB QCL（λ = 6.25μm）能够实现连续波操作，同时观察到了被动波导段对 DFB QCL 激光性能的标准具效应。

研究结论和讨论部分指出，研究人员首次展示了在同一 InP 晶体上单片集成两个不同 QCL 有源区，并通过无源光波导和波长复用器将两个激光器的输出光耦合到单个输出端的中红外光子集成电路。该研究证实了 QCL 有源区在 InP 晶体选定区域重新生长对性能几乎没有影响，成功实现了双色中红外光子集成电路的室温操作，且远场轮廓测量显示两个发射器的模式几乎完美重叠。这种方法为开发覆盖整个中红外光谱范围的芯片级单片 QCL 光源提供了可能，对于宽带光谱学、多物种气体传感、多波段自由空间通信等需要高性能激光操作且发射波长覆盖大中红外带宽的应用领域具有重要意义。它有望推动这些领域的技术发展，带来更高效、更便捷的检测和通信手段，为相关产业的发展注入新的活力。