中紅外寬譜光源基于半導體量子級聯材料，光源的有源層由30個重復的級聯周期組成，各周期之間通過低摻雜的n型InGaAs分隔開。研究人員所設計的有源區能帶結構如圖1所示，它采用了雙聲子共振結構，一個周期的有源區包含四個耦合的應變補償In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As量子阱。這種結構通過兩次光學聲子輔助弛豫來實現更高效的低能級載流子抽運，從而增大粒子數反轉，提高自發輻射效率。使用這種材料結構的寬譜光源具有閾值電流密度更低、輸出功率更高等優勢。

圖1：基于四阱耦合雙聲子共振的量子級聯能帶結構

（來源：Semiconductor Today）

 

　　為了獲得抑制激射實現超輻射發光所需要的低反射率（小于10-6），中紅外寬譜光源器件尺寸一般比較大，因此很難制備成集成的器件陣列結構。研究人員所設計的寬譜光源器件波導結構如圖2所示，這是一種雙溝道脊型分段波導器件結構，由直條端、傾斜條形區、J型波導三部分組成。這種波導結構通過兩次反射率的突變，利用比較小的器件尺寸就滿足了低反射率的要求?；谶@一結構，研究人員制備了一系列寬譜光源陣列，得到了室溫連續輸出功率2.4mW，譜寬199cm-1，遠場發散角20°。中紅外光源在大氣通信、空間遙感、化學檢測、醫療診斷等領域有著重要應用。該工作得到國家重點研發計劃和自然科學基金的資助支持。

圖2：中紅外量子級聯寬譜光源器件陣列示意圖。

左上：顯微圖像，右上：SEM圖像。（來源：Semiconductor Today）