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.

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 cascade (`QC') lasers are reviewed. These are semiconductor injection lasers based on intersubband transitions in a multiple-quantum-well (QW) heterostructure, designed by means of band-structure engineering and grown by molecular beam epitaxy. The intersubband nature of the optical transition has several key advantages. First, the emission wavelength is primarily a function of the QW thickness. This characteristic allows choosing well-understood and reliable semiconductors for the generation of light in a wavelength range unrelated to the material's energy bandgap. Second, a cascade process in which multiple - often several tens of - photons are generated per electron becomes feasible, as the electron remains inside the conduction band throughout its traversal of the active region. This cascading process is behind the intrinsic high-power capabilities of the lasers. Finally, intersubband transitions are characterized through an ultrafast carrier dynamics and the absence of the linewidth enhancement factor, with both features being expected to have significant impact on laser performance.

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.