长光所提出并验证一种复耦合多波长激光器阵列：近红外气体传感的新型集成光源技术

8通道复耦合DFB激光器阵列的结构及工作原理示意图

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王立军院士团队联合吉林大学郑传涛教授团队，在Optics and Laser Technology上发表题为“A Multi-Wavelength Complex-coupled DFB Laser Array Based on High-Order Surface Gratings for Gas Sensing Applications”的研究论文。论文通讯作者为梁磊研究员，第一作者为博士生胡淼。

该研究提出并实验验证了一种基于高阶表面光栅和周期性电流注入的8通道复耦合分布式反馈(DFB)半导体激光器阵列，无需外延再生长或纳米级光刻工艺，即可实现窄线宽、高功率、波长可扩展的多波长激光输出，为近红外集成多组分气体传感提供了低成本、高性能的光源解决方案，在环境监测、集成光子学等领域具有重要应用价值。

在多组分痕量气体吸收光谱检测中，激光光源需同时满足窄线宽、高输出功率、多波长可调等要求。传统多波长DFB激光器阵列常依赖掩埋式布拉格光栅结构，存在工艺复杂、制造成本高、波长一致性难控制等问题，限制了其在高精度多组分集成气体检测系统中的应用。为此，研究团队提出了“高阶表面光栅+周期性电流注入”的复耦合机制，通过脊波导表面的高阶光栅实现有效折射率调制，采用分段式P型电极与SiO2绝缘沟槽实现周期性增益调制，二者协同作用形成复耦合反馈，既提升了模式选择性，又简化了制备流程。

核心技术亮点

创新结构设计：无需外延再生长和纳米级光刻，通过高阶表面光栅与周期性电流注入的复合结构，实现折射率调制与增益调制的协同作用，构建稳定的复耦合DFB机制。

空穴浓度(a)–(f)随刻蚀深度(400–900 nm)变化的曲线及其相应拟合函数。

卓越性能表现：8通道激光器阵列在25℃连续波工作下，发射波长覆盖1508–1583 nm，各通道均实现稳定单模输出，边模抑制比(SMSR)超45 dB，阈值电流约100 mA;驱动电流700 mA时，单通道最大输出功率达175 mW，线宽2.08–3.51 MHz，兼具高功率与窄线宽优势。通过电流和温度调谐，每个通道可实现4–5 nm的连续波长调节，以1550 nm通道为例，电流调谐系数为0.007 nm/mA，温度调谐系数为0.12 nm/℃，满足不同气体吸收线的匹配需求。

(a) 八通道分布式反馈(DFB)激光器阵列在 25℃连续波(CW)工作模式下的电压-电流(V-I)特性与光功率-电流(P-I)特性。(b) 各通道斜率效率随中心波长的变化关系。

(a) 八通道激光器阵列的中心波长;(b) 八通道激光器阵列的离散发射光谱。

(a) 八通道 DFB 激光器阵列的波长随注入电流的变化关系;(b) 八通道 DFB 激光器阵列的波长随温度的变化关系。

应用验证成效

研究团队通过两种典型传感配置验证了激光器阵列的实用性：

在乙炔(C₂H₂)检测中，基于强度调制光谱技术，针对1520.1nm吸收线，最优平均时间46 s时检测限低至200 ppm，响应时间仅2.8s，展现出快速检测能力;

在二氧化碳(CO₂)检测中，采用腔增强吸收光谱(CEAS)配置，针对1577.4nm吸收线，最优平均时间67.6s时检测限达7.75ppm，0.4s快速检测模式下检测限为134.9ppm，兼顾了检测灵敏度与响应速度。

该激光器阵列通过简化工艺降低了制造成本，同时以宽波长覆盖、高功率、窄线宽的综合性能，为多组分气体传感提供了一体化光源解决方案。未来团队将进一步推进器件的片上集成，优化通道扩展与热管理方案，助力紧凑型光谱传感模块的开发，推动其在环境监测、工业过程控制等领域的规模化应用。

审核编辑 黄宇