A semiconductor injection laser that differs in a fundamental way from diode lasers has been demonstrated. It is built out of quantum semiconductor structures that were grown by molecular beam epitaxy and designed by band structure engineering. Electrons streaming down a potential staircase sequentially emit photons at the steps. The steps consist of coupled quantum wells in which population inversion between discrete conduction band excited states is achieved by control of tunneling. A strong narrowing of the emission spectrum, above threshold, provides direct evidence of laser action at a wavelength of 4.2 micrometers with peak powers in excess of 8 milliwatts in pulsed operation. In quantum cascade lasers, the wavelength, entirely determined by quantum confinement, can be tailored from the mid-infrared to the submillimeter wave region in the same heterostructure material.

Lasing is experimentally demonstrated in a direct bandgap GeSn alloy, grown directly onto Si(001). The authors observe a clear lasing threshold as well as linewidth narrowing at low temperatures. Large-scale optoelectronics integration is limited by the inability of Si to emit light efficiently1, because Si and the chemically well-matched Ge are indirect-bandgap semiconductors. To overcome this drawback, several routes have been pursued, such as the all-optical Si Raman laser2 and the heterogeneous integration of direct-bandgap III–V lasers on Si3,4,5,6,7. Here, we report lasing in a direct-bandgap group IV system created by alloying Ge with Sn8 without mechanically introducing strain9,10. Strong enhancement of photoluminescence emerging from the direct transition with decreasing temperature is the signature of a fundamental direct-bandgap semiconductor. For T ≤ 90 K, the observation of a threshold in emitted intensity with increasing incident optical power, together with strong linewidth narrowing and a consistent longitudinal cavity mode pattern, highlight unambiguous laser action11. Direct-bandgap group IV materials may thus represent a pathway towards the monolithic integration of Si-photonic circuitry and complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) technology.

Continuous wave operation of quantum cascade lasers is reported up to a temperature of 312 kelvin. The devices were fabricated as buried heterostructure lasers with high-reflection coatings on both laser facets, resulting in continuous wave operation with optical output power ranging from 17 milliwatts at 292 kelvin to 3 milliwatts at 312 kelvin, at an emission wavelength of 9.1 micrometers. The results demonstrate the potential of quantum cascade lasers as continuous wave mid-infrared light sources for high-resolution spectroscopy, chemical sensing applications, and free-space optical communication systems.

High-power and highly directional semiconductor microcylinder lasers based on an optical resonator with deformed cross section are reported. In the favorable directions of the far-field, a power increase of up to three orders of magnitude over the conventional circularly symmetric lasers was obtained. A "bow-tie"-shaped resonance is responsible for the improved performance of the lasers in the higher range of deformations, in contrast to "whispering-gallery"-type modes of circular and weakly deformed lasers. This resonator design, although demonstrated here in midinfrared quantum-cascade lasers, should be applicable to any laser based on semiconductors or other high-refractive index materials.

Quantum Hall Meets Metamaterial Controlling and tuning light-matter interaction is crucial for fundamental studies of cavity quantum electrodynamics and for applications in classical and quantum devices. Scalari et al. (p. 1323 ) describe a system comprising an array of metamaterial split-ring resonators and a series of two-dimensional electronic gases (2DEG) formed in GaAs quantum wells. In a magnetic field, the electrons in the 2DEG performed cyclotron orbits and formed Landau levels. Strong coupling was observed between photon and magnetic cyclotron modes, producing a tunable semiconductor system for studying the light-matter interaction of two-level systems.

Dual-comb spectroscopy performed in the mid-infrared—where molecules have their strongest rotovibrational absorption lines—offers the promise of high spectral resolution broadband spectroscopy with very short acquisition times (μs) and no moving parts. Recently, we demonstrated frequency comb operation of a quantum-cascade-laser. We now use that device in a compact, dual-comb spectrometer. The noise properties of the heterodyne beat are close to the shot noise limit. Broadband (15 cm−1) high-resolution (80 MHz) absorption spectroscopy of both a GaAs etalon and water vapour is demonstrated, showing the potential of quantum-cascade-laser frequency combs as the basis for a compact, all solid-state, broadband chemical sensor. The fundamental vibrational bands of many molecules lie on the mid-infrared, so generating all solid-state, compact frequency combs in that region is important for molecular spectroscopy. Here, Villares et al.use quantum-cascade-laser frequency combs to demonstrate a high resolution, broadband dual-comb spectrometer.

A unipolar injection quantum cascade (QC) laser grown in an AlGaAs/GaAs material system by molecular beam epitaxy, is reported. The active material is a 30 period sequence of injectors/active regions made from Al0.33Ga0.67As/GaAs-coupled quantum wells. For this device a special waveguide design, which complies with a GaAs heavily doped substrate and very short Al0.90Ga0.10As cladding layers, has been optimized. At a heat-sink temperature of 77 K, the laser emission wavelength is 9.4 μm with peak optical power exceeding 70 mW and the threshold current density is 7.3 kA/cm2. The maximum operating temperature is 140 K. This work experimentally demonstrates the general validity of QC laser principles by showing laser action in a heterostructure material different from the one used until now.

The high power operation of mid-infrared quantum cascade lasers at temperatures up to T=320 K is reported. Gain at high temperature is optimized by a design combining low doping, a funnel injector, and a three-well vertical transition active region. A molecular beam epitaxy grown InP top cladding layer is also used to optimize heat dissipation. A peak pulsed optical power of 200 mW and an average power of 6 mW are obtained at 300 K and at a wavelength λ=5.2 μm. The devices also operate in continuous wave up to 140 K.