曹俊诚等 | 太赫兹量子级联激光器：结构升级驱动性能跃升

发布时间：2026-07-23来源：爱光学

《光学学报（网络版）》精心策划并推出“太赫兹源、功能器件与应用”特色专题，首批文章于2026年第13期正式出版。本文为当期封面文章。

封/面/解/析

封面从远处的法布里-珀罗脊条型、分布式反馈光栅及阵列结构，到二维光子晶体结构，共同勾勒出太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）从常规波导架构到精密光子调控的演变图谱。左下角放大视图揭示了THz-QCL独特的量子级联工作原理：电子在级联能级中逐级跃迁并发射多个光子，体现出宏观器件结构与微观量子机制之间的深层联系。

链接：周俊辰, 江情男, 邵棣祥, 曹俊诚. 太赫兹量子级联激光器器件结构研究进展（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(13): 1313001.

背景介绍

太赫兹（Terahertz, THz）指的是频率在0.1~10 THz，波长在30 μm~3 mm范围的电磁波，具有低光子能量、共振光谱独特、对非极性物质具有较强的穿透能力等优势，在无线通信、成像、无损检测等领域有巨大潜力。

太赫兹量子级联激光器（Terahertz Quantum Cascade laser, THz-QCL）可以通过能带工程，设计有源区的能带结构，实现对辐射光的精确调控，是一种全固态、电泵浦、可设计的单极性太赫兹光源。单一波导结构在THz-QCL功耗控制、散热效率、输出功率与光束质量等方面仍面临挑战。开展分布式反馈光栅优化、太赫兹量子级联激光器阵列构建、光子晶体与超表面设计等器件结构创新，是提升THz-QCL性能的重要研究方向。

中国科学院上海微系统所曹俊诚研究员团队系统梳理了各类太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）的器件结构研究进展，前瞻分析集成化、高性能与实用化发展趋势，为THz-QCL的进一步发展提供参考。

关键技术进展

2.1 法布里-珀罗腔

法布里-珀罗（FP）腔是THz-QCL一种常用的谐振腔结构，其利用波导两端自然解理面作为反射镜，结构简单、工艺成熟。但是单一波导结构及传统的封装方式，使其在工作时产生的热量难以扩散出去。采用倒装焊技术将器件有源区贴近热沉，可以缩短散热路径，提高器件散热效率。此外，掩埋异质结工艺可以通过全包裹有源区降低热阻，进一步改善THz-QCL的热耗散性能。

有源区结构的能带工程设计，直接影响器件的激光频率、输出功率及工作温度。束缚态向连续态跃迁的有源区设计可以实现低阈值电流密度的THz-QCL。非共振双光子设计可在较宽频率范围内使THz-QCL实现双波段连续波工作。

耦合阵列是提升THz-QCL输出效果的有效方式，经过多个独立的THz-QCL相互作用，可以实现更大的输出功率。微腔阵列通过表面等离子激元波实现相位锁定，使THz-QCL的输出功率显著高于单一波导器件。Talbot腔集成阵列耦合多个THz-QCL的同时有效扩大了THz-QCL脊条的间距，该类器件可以实现较高输出功率，同时保持较好的热耗散性能。

图1 THz-FP-QCL阵列。（a）THz-QCL微腔阵列结构示意图；（b）THz-QCL微腔阵列SEM照片；（c）倒装键合倏逝波耦合THz-QCL阵列示意图；（d）THz-Talbot-QCL示意图；（e）THz-Talbot-QCL SEM照片

2.2 分布式反馈光栅

分布式反馈（Distributed Feedback, DFB）光栅通过在波导上制作周期性结构，实现频率选择和窄发散角输出。设计特殊的光栅结构是改善THz-QCL性能的重要研究方向。

通过调控二阶与四阶混合光栅可以对辐射损耗的选择性调控，有效改善远场性能。周期性调制光栅区域打破均匀光栅设计，能够有效防止光场在激光腔中心区域的积累，提升端面出光效率。分级采样光栅结构可以进一步优化光强分布，使THz-QCL在保持单模性能的同时提高输出功率。

通过深刻蚀构造空间离散的三阶DFB结构，可以有效提高THz-QCL的散热效率，同时由于阵列单元之间的耦合具有模式选择性，该类器件可在较高输出功率下保持单纵模工作，并实现窄发散角的远场光束。此外，将DFB光栅与倏逝波耦合、Talbot腔等阵列结构结合，实现THz-QCL稳定的单模功率合成也是改善THz-QCL性能的重要方式。

图2 混合光栅与采样光栅结构。（a）基于二阶与四阶混合光栅结构的THz-DFB-QCL SEM照片；（b）基于采样光栅的THz-DFB-QCL SEM照片；（c）基于采样光栅的THz-DFB-QCL示意图

2.3 二维光子结构

在THz-QCL表面构造新型结构，实现表面高质量发射的二维光子结构是目前重要的研究方向。采用特殊的超表面外腔设计，可以激发高阶横模，实现极窄发散角的近高斯光束输出。光子晶体谐振腔还可以获得大面积单模表面发射，光束亮度高、发散角小的THz-QCL。

采用合适的光子晶体结构能改善THz-QCL的热管理能力。离散分布的单元结构使THz-QCL单位面积热阻低于传统脊条型器件，使器件能有效发射THz激光的同时提升器件的工作温度。基于光学连续体束缚态（Bound states In the Continuum, BIC）结构可以设计高Q因子的THz-QCL，使其兼具优异的热管理能力和近高斯分布的远场光束。

图3 电四极子天线与基于BIC的THz-QCL阵列。（a）电四极子天线器件示意图；（b）电四极子天线器件SEM照片；（c）基于BIC的THz-QCL阵列示意图；（d）基于BIC的THz-QCL阵列 SEM照片；（e）基于准平带BIC与二维双拼接阵列的THz-QCL示意图；（f）基于准平带BIC与二维双拼接阵列的THz-QCL SEM照片

总结与展望

THz-QCL作为填补“太赫兹间隙”的核心器件，其性能的提升依赖于有源区能级的设计及谐振腔结构的优化。由于有源区材料生长与验证周期长、成本高，从器件结构方面去改善THz-QCL器件性能具有重要意义。THz-QCL器件结构的工艺复杂性、热积累与高成本仍是研究的关键。有源区与集成化设计融合，推动THz-QCL向更高工作温度、更高功率输出与更优光束质量方向发展，以满足其在通信、成像与光谱学等领域的广泛应用需求，是THz-QCL重要的发展方向。