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    中紅外光子集成芯片在環(huán)保監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷和國(guó)防安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但激光光源與無(wú)源波導(dǎo)光路的片上集成仍是中紅外集成光學(xué)需要攻克的關(guān)鍵難題之一。

    量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）是中紅外波段的重要半導(dǎo)體激光光源。工作在中紅外波段的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)主要有量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）和帶間級(jí)聯(lián)激光器（ICL）兩種。在室溫下，ICL目前主要工作在3~6μm的波長(zhǎng)范圍，而QCL在中紅外譜區(qū)能覆蓋3~20μm的波長(zhǎng)范圍，ICL可以在較低電流閾值下實(shí)現(xiàn)激射，而QCL可以輸出較高的光功率。另外，中紅外波段的QCL主要生長(zhǎng)在InP襯底(HMDS烘箱)上。

   近期，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院王瑞軍副教授課題組在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器的光子集成”為主題的綜述文章。王瑞軍副教授主要從事光電集成器件與芯片和半導(dǎo)體激光器方面的研究工作。

    這項(xiàng)研究介紹了近幾年中紅外QCL在光子集成方面的研究進(jìn)展，包括InP基單片(HMDS烘箱)集成、硅基單片集成、硅基異質(zhì)鍵合集成和III-V/鍺混合外腔激光器。

    中紅外光電器件在傳感與成像等領(lǐng)域具有重要且廣泛的應(yīng)用，目前相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)往往由分立的器件組成，將這些體積龐大的光學(xué)系統(tǒng)集成到一塊芯片上是光子集成研究的長(zhǎng)期目標(biāo)。國(guó)內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了中紅外片上傳感和片上成像方面的研究成果，但是這些研究基本都通過(guò)將外置光源的輸出耦合進(jìn)入芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)片上功能，激光光源實(shí)際上并沒(méi)有在片上集成，實(shí)現(xiàn)激光器的光子集成是實(shí)現(xiàn)真正的片上傳感和片上成像的重要一步。另外一方面，光子集成平臺(tái)可以提供低損耗的光波導(dǎo)、寬調(diào)諧的濾波器、高品質(zhì)因子的微環(huán)諧振器，將III-V族半導(dǎo)體激光器與這些元件集成到一起可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)中紅外半導(dǎo)體激光平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的寬調(diào)諧、窄線(xiàn)寬等先進(jìn)功能。

    目前片上集成的QCL在性能方面與傳統(tǒng)III-V襯底上的器件還有較大差距，這一方面是因?yàn)楫愘|(zhì)集成增加了器件的工藝難度，同時(shí)QCL與無(wú)源波導(dǎo)之間的較差的耦合效率也使得器件的性能不如預(yù)期，此外片上集成也增加了QCL器件的散熱難度。在后續(xù)的研究中，需要優(yōu)化QCL與無(wú)源波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，研究實(shí)現(xiàn)QCL高效片上散熱的方法，探索硅上外延生長(zhǎng)的新途徑，實(shí)現(xiàn)QCL與光子芯片的晶圓集成，使完全集成的中紅外光子傳感器成為現(xiàn)實(shí)。

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