超辐射发光管是一种利用放大自发辐射的非相干光源, 它兼具了激光器的大功率和LED的宽光谱特性, 同时具有弱时间相干性和高光纤耦合效率, 是一些非相干光学系统 (如光学相干层析成像系统 (OCT) ) 的理想光源. OCT技术是上世纪90年代发展起来的一种具有高分辨率, 非接触式, 无辐射损伤等诸多优点的一种生物医学成像技术, 已在眼科, 牙科和皮肤科的临床诊断中有重要应用, 是继X-CT和MRI医学成像技术之后的又一大技术突破. OCT系统的发展与所采用光源息息相关, 其应用, 升级换代强烈地依赖于核心光源的发展水平. 目前OCT技术虽然已被大众认可, 一些国内外医院成立了专门的OCT成像科室, 但OCT技术的巨大优势还远远没有体现出来, 因为其发展中遇到了两个主要瓶颈: (1) 成像分辨率较低; (2) 成像深度有待提高. 因而对OCT系统所采用的宽谱光源的诉求就是: (1) 高功率与宽光谱共存的近红外宽谱光源的制备; (2) 宽谱光源的工作波长向中红外波段拓展.
针对这一科学问题, 中科院苏州纳米所张子旸课题组与中科院半导体所刘峰奇, 王占国实验室合作利用调制掺杂的多层量子点结构, 打破了传统半导体宽光谱光源中输出光谱宽度与输出功率相互制约的关系, 成功地研制出了近红外波段高输出功率﹥20 mW, 同时宽光谱﹥130 nm的量子点SLD (如图1所示) ; 随后又利用子带间跃迁的量子级联材料为增益介质, 采用宽谱光源与光放大器单片集成的器件结构, 实现了国际上第一支室温连续工作的中红外量子级联SLD (如图2所示) , 这一进展填补了中红外波段室温连续工作半导体宽光谱光源的空白. 这些研究成果为提高目前近红外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.
图1 调制掺杂自组织量子点J型波导SLD结构示意图, 光谱和P-I曲线
图2 室温连续工作的中红外量子级联SLD结构及发光示意图
以上结果发表在Light: Science & Applications 7, 17170 (2018). 该工作得到了国家自然科学基金, 国家重点研发计划和青年千人计划资助.
