“先进激光材料”带间级联激光器首次“又亮又准”

    封面图以中红外激光光束为核心元素，右侧为传统法布里-珀罗（FP）激光器的发散光束（双瓣状，象征高阶模混合），左侧为集成多模干涉（MMI）耦合器的激光器输出的准直基模光束（单瓣状，接近衍射极限）。封面图直观对比了传统FP激光器与集成MMI耦合器的带间级联激光器（ICL）的光束质量差异，突出MMI通过自映像效应高阶模、优化光束质量的原理，衍射极限光束象征研究目标——实现高功率与高光束质量的协同输出，为自由空间通信等应用提供理想光源。

研究背景

中红外（3-4 μm）激光在气体检测、红外对抗等领域有着迫切的应用需求。以甲烷气体远程检测为例，激光器需要同时具备高功率以穿透远距离空间，以及高光束质量以保证良好的准直性。然而，现有带间级联激光器（ICL）受限于材料热导率低的问题，功率提升与脊宽设计之间存在矛盾。当脊宽较窄（<6 μm）时，虽能保证基横模输出，但单模功率仅数毫瓦；若采用宽脊设计以提升功率，则会激发高阶横模，导致光束质量下降，如14 μm脊宽FP器件发散角达41°，无法满足远距离探测需求。

传统方案中，侧壁光栅虽能部分抑制高阶模，光束质量因子（M2）达到1.9，但仍未实现衍射极限输出。此外，由于GaSb基ICL缺乏半绝缘填充材料，难以移植InP基量子级联激光器（QCL）的耦合阵列设计。因此，如何突破ICL的“功率-光束质量”矛盾，成为亟待解决的关键科学问题。

创新工作

中国科学院半导体所刘峰奇研究员团队提出了一种“MMI-ICL” 集成结构，通过自映像效应选择性滤除奇阶模（如 TE1），同时保留偶阶模（如 TE0/TE2），从而在宽脊条件下实现基模主导输出。在结构优化方面，研究采用了对称1×1 MMI 设计（图 1），宽度为36 μm，经拍长公式计算确定长度为1356 μm，该长度确保MMI在特定位置对目标模式实施有效调控。为降低反射损耗，MMI 两端采用34°的锥形连接结构。

图1 MMI-ICL结构示意图

通过COMSOL仿真开展模式调控的理论分析，结果表明，8 μm、11 μm脊宽器件中只保留TE0，14 μm脊宽器件中除了TE0模式外，TE2模式也有较高透射率（图 2）。工艺实现上，基于分子束外延（MBE）技术生长了 7 级有源区超晶格结构，通过湿法腐蚀制备脊波导，并采用 SiO2钝化技术保障电隔离。

图2 COMSOL仿真结果

实验结果表明，该集成结构在光束质量优化方面成效显著。11 μm 脊宽的 MMI-ICL 器件远场发散角为 26°，对应的M2为1.23，即1.1倍衍射极限；而14 μm 脊宽器件的发散角从FP器件的 41°大幅降至18°，M2为1.57，且旁瓣微弱（图3），这表明 MMI 结构对高阶模式的效果显著。在功率性能方面，MMI 区域的设计增大了有源区面积，使得器件光功率较 FP 器件明显提升，同时并未增加阈值电流密度，实现了功率与光束质量的协同优化。

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图3 MMI-ICL器件光束质量优化的实验结果

该研究的理论贡献主要体现在两个方面：一是揭示了 MMI 在宽脊器件中的模式选择机制，即奇阶模因干涉相消而被，偶阶模则通过自映像效应实现高效耦合输出；二是提出了“脊宽 - 损耗差”设计准则，并通过实验验证14 μm为MMI调控的脊宽上限。

从技术优势来看，MMI-ICL集成结构具有多方面的显著特点。其兼容性良好，无需二次外延工艺，仅通过常规脊波导工艺流程即可实现基横模主导输出，简化了工艺复杂度；锥形结构的引入有效降低了插损，提高了工艺容差，为该技术的实际应用奠定了基础。这项研究为解决半导体激光器功率提升与光束质量保持之间的矛盾提供了新的有效途径，在中红外激光领域具有重要的应用前景。

后续工作

未来将优化MMI参数以进一步TE2模，探索DFB或DBR光栅结构的引入以实现单纵模输出；同时开发热管理方案以应对宽脊器件温升，推动ICL在激光雷达等大功率场景的应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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