中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸研究员团队与中国科学院半导体研究所刘峰奇研究员、王占国院士团队合作，在红外超辐射宽谱光源芯片研制方面取得重要进展。在近红外波段，解决了传统半导体宽谱光源中光谱宽度与输出功率相互制约的问题，成功研制出高功率（>20 mW）、且宽光谱 （>130 nm）的量子点超辐射宽谱光源芯片。特别地，在中红外波段，成功实现了国际上第一块室温连续工作的量子级联超辐射宽谱光源芯片，填补了中红外波段室温连续工作半导体宽谱光源的空白。

半导体超辐射宽谱光源是一种利用放大的自发辐射的非相干光源，它兼具了激光器的高功率和发光二极管的宽光谱特性，是众多非相干光学系统的理想核心光源。光学相干层析成像（OCT）技术是一种具有高分辨率（∼10 μm）、非接触式、无辐射损伤等诸多优点的生物医学成像技术，它的应用、升级换代强烈地依赖于其核心光源的发展水平。目前OCT技术虽然已被大众认可，国内外众多医院成立了专门的眼科、牙科和皮肤科临床诊断的OCT成像科室，但OCT技术的巨大优势还远没有体现出来，主要有两方面的原因：（1）受限于目前商用量子阱光源的光谱宽度与输出功率相互制约的问题，同时提高近红外OCT系统成像的分辨率与探测深度的难度非常大；（2）另一方面，人体内的胶原蛋白、脂质、葡萄糖等物质对近红外波段的光吸收非常弱，难以呈现准确清晰的像，而这些物质在中红外波段的吸收具有更高的灵敏度和更大的信息量。早在多年前研究者们就提出了实现中红外OCT系统的重要性和必要性。但是由于缺乏合适的室温连续工作的中红外宽谱光源，这长期以来制约了中红外OCT系统的实现以及应用。

长期从事红外宽谱光源材料及器件研究的张子旸研究员带领团队采用调制P型掺杂的多层量子点结构大幅提高了材料的增益，并在此基础上制备了近红外1.2 μm波段“J”型波导结构的超辐射宽谱光源芯片，这一结果克服了光谱宽度与输出功率相互制约的难题，芯片结构示意图如图1（a）所示。该芯片室温连续输出功率超过20 mW、同时光谱宽度达到134 nm（图1（b）），是目前该领域国际最好结果之一。

图1（a）调制P型掺杂多层量子点“J”型波导结构的近红外超辐射宽谱光源结构示意图； （b）室温连续注入电流下的功率和光谱（插图）曲线

在中红外超辐射宽谱光源芯片的研制方面，采用子带间跃迁的量子级联材料，首先利用聚焦离子束（FIB）对器件输出腔面的反射率进行了系统研究，得出了中红外量子级联器件抑制激射实现宽谱输出的基本条件是要求器件波导结构中的反射率小于10-6。由于量子级联材料基于子带间跃迁的工作模式使其非辐射复合载流子寿命很短，这导致了极低的自发辐射效率（<10-5）。自2006年量子级联超辐射宽谱光源芯片研制以来，实现其室温连续工作成为了国内外研究者的奋斗目标。本工作中，采用超辐射宽谱光源与光放大器单片集成的波导结构，并结合四阱耦合双声子共振的应变补偿量子级联材料作为有源区，在降低波导结构整体反射率的同时，提高了材料的自发辐射效率，成功实现了国际上第一块室温连续工作的中红外量子级联超辐射宽谱光源芯片，有望成为中红外OCT系统的核心光源。同时，非常有趣的是该芯片两端均得到宽谱光输出，但是输出功率与光谱宽度大不相同（如图2所示），进一步丰富了器件的多样性及应用。图3为芯片在不同温度下（80~300 K）的输出功率与光谱图。

图2 室温连续工作、两端出光性能相异的中红外量子级联超辐射宽谱光源结构示意图

图3 不同温度（80~300 K）连续注入电流下量子级联超辐射宽谱光源宽端（a）输出功率和（b）光谱曲线，窄端（c）输出功率和（d）光谱曲线

本工作在应用研究方面具有重要的意义。同时具备高功率和宽光谱的近红外超辐射宽谱光源芯片的获得，为近红外非相干光学系统提供了理想的核心光源。超辐射宽谱光源被广泛应用于众多非相干光学系统中，如光纤陀螺仪（FOG）、波分复用（WDM）系统、OCT系统等。特别是对于OCT系统而言，这些研究成果为提高近红外OCT系统的性能、实现多年前理论预言的中红外OCT系统奠定了材料及器件基础。

相关成果以Near-infrared and mid-infrared semiconductor broadband light emitters为题，发表在Light: Science & Applications （7, 17170, 2018）上。论文第一作者为中科院苏州纳米所与中科院半导体所联合培养的博士生侯春彩和中科院苏州纳米所陈红梅，通讯作者为中科院苏州纳米所张子旸研究员。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/lsa2017170