Abstract We demonstrated a scheme of phase-locked terahertz quantum cascade lasers (THz QCLs) array, with a single-mode pulse power of 108 mW at 13 K. The device utilizes a Talbot cavity to achieve phase locking among five ridge lasers with first-order buried distributed feedback (DFB) grating, resulting in nearly five times amplification of the single-mode power. Due to the optimum length of Talbot cavity depends on wavelength, the combination of Talbot cavity with the DFB grating leads to better power amplification than the combination with multimode Fabry−Perot (F−P) cavities. The Talbot cavity facet reflects light back to the ridge array direction and achieves self-imaging in the array, enabling phase-locked operation of ridges. We set the spacing between adjacent elements to be 220 μ m, much larger than the free-space wavelength, ensuring the operation of the fundamental supermode throughout the laser's dynamic range and obtaining a high-brightness far-field distribution. This scheme provides a new approach for enhancing the single-mode power of THz QCLs.

Long wavelength InAs/AlSb quantum cascade lasers (QCLs) emitting at 13 μm, based on a diagonal transition scheme design through band structure engineering, have been grown and fabricated. This band structure engineering focuses on enhancing transition efficiency and suppressing carrier leakage. Our 3-mm-long, 25-μm-wide InAs/AlSb QCL has achieved a slope efficiency of 210 mW/A and a maximum peak power of 515 mW, despite encountering a substantial waveguide loss of 27 cm−1 and a relatively high threshold of 4.8 kA/cm2, due to the elevated residual doping level. Our InAs/AlSb QCL devices have demonstrated record-breaking performance in terms of slope efficiency, maximum peak power, and injection efficiency. Cavity length analysis suggests that reducing the residual doping by half could pave the way for achieving continuous wave output power in the realm of hundreds of milliwatts at room temperature for our designed 13 μm QCLs.

Abstract Topological lasers (TLs) have attracted widespread attention due to their mode robustness against perturbations or defects. Among them, electrically pumped TLs have gained extensive research interest due to their advantages of compact size and easy integration. Nevertheless, limited studies on electrically pumped TLs have been reported in the terahertz (THz) and telecom wavelength ranges with relatively low output powers, causing a wide gap between practical applications. Here, we introduce a surface metallic Dirac-vortex cavity (SMDC) design to solve the difficulty of increasing power for electrically pumped TLs in the THz spectral range. Due to the strong coupling between the SMDC and the active region, robust 2D topological defect lasing modes are obtained. More importantly, enough gain and large radiative efficiency provided by the SMDC bring in the increase of the output power to a maximum peak power of 150 mW which demonstrates the practical application potential of electrically pumped TLs.

In this paper, we report a high performance longwave infrared (LWIR, λ = 8-12 μm) quantum cascade laser (QCL) emitting at 9.0 μm. The effects of cavity dimensions on the performance of buried heterostructure (BH) narrow-ridge lasers are investigated, along with an analysis of their thermal characteristics. Longer cavities result in lower slope efficiency (η), but reduced local heat density, enabling the laser to achieve higher continuous-wave (CW) output power at higher operating temperatures. At 288 K, a 5 mm-long cavity, 15.0 μm-wide ridge laser exhibits a η of 2.11 W/A and a CW output power of 2.18 W, which are 22% lower and 54% higher, respectively, than those of a laser with 3 mm-long cavity. Narrower ridges reduce self-heating effects, leading to only a slight decrease in output power but a significant increase in wall plug efficiency (WPE). A 5 mm-long cavity, 11.0 μm-wide ridge laser demonstrates a CW output power of 2.08 W and a WPE of 9.80%, which are 5% lower and 19% higher, respectively, compared to those of a 15 μm-wide ridge laser. The 11.0 μm-wide ridge laser maintains excellent beam quality across the entire operating range, whereas the 15.0 μm-wide ridge laser exhibits degradation under high current injection.

We report the improved performance of tapered quantum cascade lasers (QCLs) with a buried heterostructure (BH) operating in a continuous-wave (CW) mode and emitting at 9 μm. The introduction of an isolation channel in the tapered QCL causes the output power decrease more slowly as the driving current changes from the pulsed to CW mode, which is associated with a reduction in thermal resistance. Compared to the Fabry–Pérot structure, the 1° tapered QCL with an isolation channel achieves a horizontal full width at half maximum (FWHM) divergence angle of 25.1°, while the CW mode output power decreases by only 12.02% at 298 K.