封面圖以中紅外激光光束為核心元素，右側(cè)為傳統(tǒng)法布里-珀羅（FP）激光器的發(fā)散光束（雙瓣狀，象征高階模混合），左側(cè)為集成多模干涉（MMI）耦合器的激光器輸出的準直基模光束（單瓣狀，接近衍射極限）。封面圖直觀對比了傳統(tǒng)FP激光器與集成MMI耦合器的帶間級聯(lián)激光器（ICL）的光束質(zhì)量差異，突出MMI通過自映像效應抑制高階模、優(yōu)化光束質(zhì)量的原理，衍射極限光束象征研究目標——實現(xiàn)高功率與高光束質(zhì)量的協(xié)同輸出，為自由空間通信等應用提供理想光源。

研究背景

中紅外（3-4 μm）激光在氣體檢測、紅外對抗等領域有著迫切的應用需求。以甲烷氣體遠程檢測為例，激光器需要同時具備高功率以穿透遠距離空間，以及高光束質(zhì)量以保證良好的準直性。然而，現(xiàn)有帶間級聯(lián)激光器（ICL）受限于材料熱導率低的問題，功率提升與脊寬設計之間存在矛盾。當脊寬較窄（<6 μm）時，雖能保證基橫模輸出，但單模功率僅數(shù)毫瓦；若采用寬脊設計以提升功率，則會激發(fā)高階橫模，導致光束質(zhì)量下降，如14 μm脊寬FP器件發(fā)散角達41°，無法滿足遠距離探測需求。

傳統(tǒng)方案中，側(cè)壁光柵雖能部分抑制高階模，光束質(zhì)量因子（M2）達到1.9，但仍未實現(xiàn)衍射極限輸出。此外，由于GaSb基ICL缺乏半絕緣填充材料，難以移植InP基量子級聯(lián)激光器（QCL）的耦合陣列設計。因此，如何突破ICL的“功率-光束質(zhì)量"矛盾，成為亟待解決的關(guān)鍵科學問題。

創(chuàng)新工作

半導體所劉峰奇研究員團隊提出了一種“MMI-ICL" 集成結(jié)構(gòu)，通過自映像效應選擇性濾除奇階模（如 TE1），同時保留偶階模（如 TE0/TE2），從而在寬脊條件下實現(xiàn)基模主導輸出。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，研究采用了對稱1×1 MMI 設計（圖 1），寬度為36 μm，經(jīng)拍長公式計算確定長度為1356 μm，該長度確保MMI在特定位置對目標模式實施有效調(diào)控。為降低反射損耗，MMI 兩端采用34°的錐形連接結(jié)構(gòu)。

圖1 MMI-ICL結(jié)構(gòu)示意圖

通過COMSOL仿真開展模式調(diào)控的理論分析，結(jié)果表明，8 μm、11 μm脊寬器件中只保留TE0，14 μm脊寬器件中除了TE0模式外，TE2模式也有較高透射率（圖 2）。工藝實現(xiàn)上，基于分子束外延（MBE）技術(shù)生長了 7 級有源區(qū)超晶格結(jié)構(gòu)，通過濕法腐蝕制備脊波導，并采用 SiO2鈍化技術(shù)保障電隔離。

圖2 COMSOL仿真結(jié)果

實驗結(jié)果表明，該集成結(jié)構(gòu)在光束質(zhì)量優(yōu)化方面成效顯著。11 μm 脊寬的 MMI-ICL 器件遠場發(fā)散角為 26°，對應的M2為1.23，即1.1倍衍射極限；而14 μm 脊寬器件的發(fā)散角從FP器件的 41°大幅降至18°，M2為1.57，且旁瓣微弱（圖3），這表明 MMI 結(jié)構(gòu)對高階模式的抑制。在功率性能方面，MMI 區(qū)域的設計增大了有源區(qū)面積，使得器件光功率較 FP 器件明顯提升，同時并未增加閾值電流密度，實現(xiàn)了功率與光束質(zhì)量的協(xié)同優(yōu)化。

圖3 MMI-ICL器件光束質(zhì)量優(yōu)化的實驗結(jié)果

該研究的理論貢獻主要體現(xiàn)在兩個方面：一是揭示了 MMI 在寬脊器件中的模式選擇機制，即奇階模因干涉相消而被抑制，偶階模則通過自映像效應實現(xiàn)高效耦合輸出；二是提出了“脊寬 - 損耗差"設計準則，并通過實驗驗證14 μm為MMI調(diào)控的脊寬上限。

從技術(shù)優(yōu)勢來看，MMI-ICL集成結(jié)構(gòu)具有多方面的顯著特點。其兼容性良好，無需二次外延工藝，僅通過常規(guī)脊波導工藝流程即可實現(xiàn)基橫模主導輸出，簡化了工藝復雜度；錐形結(jié)構(gòu)的引入有效降低了插損，提高了工藝容差，為該技術(shù)的實際應用奠定了基礎。這項研究為解決半導體激光器功率提升與光束質(zhì)量保持之間的矛盾提供了新的有效途徑，在中紅外激光領域具有重要的應用前景。

后續(xù)工作

未來將優(yōu)化MMI參數(shù)以進一步抑制TE2模，探索DFB或DBR光柵結(jié)構(gòu)的引入以實現(xiàn)單縱模輸出；同時開發(fā)熱管理方案以應對寬脊器件溫升，推動ICL在激光雷達等大功率場景的應用。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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