封面圖以中紅外激光光束為核心元素，右側為傳統法布里-珀羅（FP）激光器的發散光束（雙瓣狀，象征高階?；旌希?，左側為集成多模干涉（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FP激光器與集成MMI耦合器的帶間級聯激光器（ICL）的光束質量差異，突出MMI通過自映像效應抑制高階模、優化光束質量的原理，衍射極限光束象征研究目標——實現高功率與高光束質量的協同輸出，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，以及高光束質量以保證良好的準直性。然而，現有帶間級聯激光器（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，但單模功率僅數毫瓦；若采用寬脊設計以提升功率，則會激發高階橫模，導致光束質量下降，如14 μm脊寬FP器件發散角達41°，無法滿足遠距離探測需求。

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

創新工作

半導體所劉峰奇研究員團隊提出了一種“MMI-ICL" 集成結構，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基模主導輸出。在結構優化方面，研究采用了對稱1×1 MMI 設計（圖 1），寬度為36 μm，經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控。為降低反射損耗，MMI 兩端采用34°的錐形連接結構。

圖1 MMI-ICL結構示意圖

通過COMSOL仿真開展模式調控的理論分析，結果表明，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）。工藝實現上，基于分子束外延（MBE）技術生長了 7 級有源區超晶格結構，通過濕法腐蝕制備脊波導，并采用 SiO2鈍化技術保障電隔離。

圖2 COMSOL仿真結果

實驗結果表明，該集成結構在光束質量優化方面成效顯著。11 μm 脊寬的 MMI-ICL 器件遠場發散角為 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 結構對高階模式的抑制。在功率性能方面，MMI 區域的設計增大了有源區面積，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，實現了功率與光束質量的協同優化。

圖3 MMI-ICL器件光束質量優化的實驗結果

該研究的理論貢獻主要體現在兩個方面：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調控的脊寬上限。

從技術優勢來看，MMI-ICL集成結構具有多方面的顯著特點。其兼容性良好，無需二次外延工藝，僅通過常規脊波導工藝流程即可實現基橫模主導輸出，簡化了工藝復雜度；錐形結構的引入有效降低了插損，提高了工藝容差，為該技術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。

后續工作

未來將優化MMI參數以進一步抑制TE2模，探索DFB或DBR光柵結構的引入以實現單縱模輸出；同時開發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

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