一、行业痛点：宽光谱QCL 的 “卡脖子” 难题

传统宽带 QCL 常采用多波长堆叠有源区，虽能拓宽光谱，但带来一系列问题：

• 热阻升高、阈值电流增大，难以连续波（CW）工作

• 模式竞争剧烈，出现光谱间隙

• 生长与设计难度急剧上升

• 单堆叠方案带宽长期受限，8–10 μm 波段难以突破 600 cm⁻¹

  
  

这些瓶颈直接限制了中红外光频梳、多气体同时检测、超短脉冲产生等关键应用落地。

二、核心创新：MTC 设计 —— 给电子开多条 “高速发光通道”

团队提出对角多能态 - 连续态（MTC） 有源区结构，从能带工程底层突破：

• 多上能级 + 对角跃迁：构建多条等效发光通道，振荡器强度均匀分布

• 强耦合注入：提升注入效率，降低寄生通道电子逃逸

• 应力补偿 InGaAs/InAlAs 材料：更大导带偏移，抑制电子泄漏

• MOCVD 生长：高效率、短维护、高稳定性，适合量产落地

  
  

简单说：让电子在更多能级间跃迁，同时保证增益平坦、功率不打折。

三、硬核数据：性能拉满，多项指标国际领先

团队在室温（298 K）与低温（80 K）下完成全面测试，交出亮眼成绩单：

• 电致发光（EL）：FWHM 达609.5 cm⁻¹（75.6 meV），远超传统 BTC/DAU 设计

• 室温激光谱宽：最大1.2 μm（7.9–9.1 μm），为同波段单堆叠 QCL 最宽

• 低温激光谱宽：进一步扩至1.93 μm，媲美传统 4 堆叠结构水平

• 输出功率：峰值功率2.72 W，斜效率1.3 W/A，墙 plug 效率6.1%

• 特征温度：T₀≈190 K，与国际高性能 QCL 相当

  
  

更重要的是：超宽光谱 + 高性能同时实现，没有 “宽谱就降功率” 的 trade-off。

四、模式竞争：首次定量揭示横模竞争物理机制

研究发现大电流下出现8 μm 附近强尖峰，并结合远场与速率方程模型证实：

• 低电流：基横模主导，单瓣远场

• 高电流：高阶横模崛起，与基模激烈竞争

  
  

团队建立迭代速率方程横模竞争模型，仿真与实验高度吻合，为后续模式优化提供理论支撑

五、应用前景：一把“超灵敏光学尺子”，赋能多领域升级

这项成果将直接推动中红外光子学进入宽带、高精度、集成化新时代：

• 多气体光谱：一台光源同时检测多种痕量气体，用于环保、工业、安防

• 中红外光频梳：向倍频程光谱迈进，支撑 f–2f 自锁定，实现绝对光频测量

• 超短脉冲压缩：结合色散工程，迈向中红外飞秒脉冲源

• 自由空间通信 + 高分辨成像：宽带光源提升信道容量与成像信噪比

  
  

六、产业化潜力：MOCVD 工艺，从实验室走向量产

区别于传统 MBE 生长，本工作采用MOCVD制备，具备：

• 生长效率高、周期短、稳定性强

• 半导体行业成熟量产工艺

• 配合掩埋异质结、高反膜等优化，有望实现连续波（CW）工作为工业级宽谱中红外光源铺平道路。

  
  

七、总结：中红外激光光源的里程碑式突破

本次 MTC 单堆叠超宽带 QCL，实现了宽带增益、高功率、高效率、可量产的完美统一，不仅刷新多项性能纪录，更为中红外光频梳、宽带精密光谱、多组分气体检测等 “卡脖子” 应用提供核心光源方案。

这把更宽、更亮、更稳的“中红外光尺”，将大幅提升我国在红外光子领域的核心竞争力，照亮环境监测、医疗诊断、空间通信等领域的未来之路！

免责声明:文章转载自网络，仅供行业学习交流之用，侵删