导读

中红外光源如同通往“看不见世界”的钥匙。气体检测、分子光谱、医学诊断以及自由空间通信等诸多应用都依赖工作在2–5微米的中红外半导体激光器。但长期以来，这一波段的高性能激光器主要依赖GaSb材料体系，其高成本、散热能力弱以及难以实现片上集成等问题，成为制约中红外光子器件发展的瓶颈。相比之下，基于InP的光子平台具有成本更低、工艺更成熟的优势。然而，无论是InP基量子阱还是量子线状结构（quantum dash），都面临阈值电流密度高、工作温度受限并且难以突破2微米以上的高效长波长发射的共同挑战。

近日，UCL(伦敦大学学院)Huiyun Liu(刘会赟)教授团队取得突破性进展：首次实现了中红外2微米波段室温激射的InAs/InP量子点激光器。该器件采用五层堆叠InAs/InP量子点结构，每层阈值电流密度仅为118 A/cm²，刷新了室温InP基中红外激光器最低纪录。这一成果不仅在技术上具有“首次实现”的里程碑意义，更开启了一条全新的技术路线：通过量子点结构，研究团队极大拓展了InP平台在中红外波段的能力边界，为未来低成本、高性能中红外光源的开发开辟了新路径。

该研究成果以"Mid-infrared InAs/InP quantum-dot lasers"为题发表于Light: Science & Applications。文章中，伦敦大学学院博士研究生王阳倩与博士后 Hui Jia(贾慧)、Jae-Seong Park为共同第一作者，其中贾慧和Jae-Seong Park担任通讯作者。

中红外量子点激光器：量子点激光器是一种利用纳米级“量子点”作为有源区的先进半导体激光器。量子点本质上是三维受限的纳米结构，可视为人工“微型原子”，使载流子在三个维度上被束缚，从而形成离散能级。与传统的量子阱（二维限制）和量子线（一维限制）相比，量子点具有显著优势：阈值电流更低、温度稳定性更高、增益带宽更宽以及对缺陷不敏感，这些特性为在硅等异质材料平台上实现高性能器件提供了更大灵活性。然而，将量子点激光器推进到中红外波段（波长大于2微米）一直面临巨大挑战。在InAs/InP材料体系中，由于晶格失配仅3.2%，要形成高密度、均匀的量子点非常困难。同时，为实现2微米以上波长，量子点必须增大，但这又容易引入晶体缺陷。此外，InP基底上铟原子的扩散具有明显方向性，容易形成量子线状而非量子点结构，而量子线对载流子的束缚能力较弱，不利于保持量子点的低阈值和高温度稳定性。

为攻克弱应变体系中的“形貌失控问题”，研究团队深入分析了In原子的扩散行为，提出了一套精准的控制策略：

（1）改变砷源：使用As₂替代 As₄，避免表面裂解过程，同时构建稳定的原子阶梯结构，从根本上削弱扩散各向异性；

（2）调控生长速率与温度：采用高生长速率+低温生长，限定In原子的迁移路径，使其“来不及”向方图片方向发生各向异性扩散；

（3）优化沉积参数：通过精确控制InAs沉积量与V/III比（在7.5ML和特定V/III比条件下），形成最均匀、无位错的量子点族群（图1）。

图1. InAs/InP量子点光学性能与延[110]和图片方向的形貌表征

在上述精准控制策略基础上，团队成功构建了五层堆叠的InAs/InP量子点激光器结构，实现了InP基2微米的中红外量子点激光的首次突破，该器件发射波长2.018微米，阈值118A/cm²/层，刷新了InP基 2–2.5微米激光器中迄今最低纪录（图2）。

图2：五层堆叠InAs/InP量子点激光器的结构及性能。

总结与展望

该研究成果表明，与传统量子阱/量子线状结构激光器相比，量子点在2微米波段激光器器件功耗等方面展现出显著优势。量子点的“非均匀展宽”特性进一步拓宽了增益谱，特别适合波长可调谐、超短脉冲和多模传感等应用。依托成熟的InP工艺平台，该技术未来有望兼容多通道气体检测、集成光子芯片、中红外通信等需求，真正实现中红外光源的小型化、低成本与高性能。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02167-4