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

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

   近期，中山大學電子與信息工程學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體激光器方面的研究工作。

    這項研究介紹了近幾年中紅外QCL在光子集成方面的研究進展，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)的光學系統(tǒng)往往由分立的器件組成，將這些體積龐大的光學系統(tǒng)集成到一塊芯片上是光子集成研究的長期目標。國內(nèi)外許多研究團隊報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將外置光源的輸出耦合進入芯片來實現(xiàn)片上功能，激光光源實際上并沒有在片上集成，實現(xiàn)激光器的光子集成是實現(xiàn)真正的片上傳感和片上成像的重要一步。另外一方面，光子集成平臺可以提供低損耗的光波導、寬調(diào)諧的濾波器、高品質(zhì)因子的微環(huán)諧振器，將III-V族半導體激光器與這些元件集成到一起可以實現(xiàn)傳統(tǒng)中紅外半導體激光平臺難以實現(xiàn)的寬調(diào)諧、窄線寬等先進功能。

    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，這一方面是因為異質(zhì)集成增加了器件的工藝難度，同時QCL與無源波導之間的較差的耦合效率也使得器件的性能不如預期，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與無源波導的耦合結(jié)構(gòu)，研究實現(xiàn)QCL高效片上散熱的方法，探索硅上外延生長的新途徑，實現(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。

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