量子级联激光器频率梳（QCL-FC）作为一种新兴的中红外至太赫兹波段辐射固态源，在快速光谱、传感及激光雷达等领域具有重要的应用价值。近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）陆全勇团队与中国科学院半导体所刘峰奇团队在大功率中波红外量子级联激光器光频梳研究方面取得了重要进展，为进一步实现高精度片上传感奠定了基础。
基于子带间跃迁的有源区设计使得QCL具有快速增益特性，在较低的泵浦条件下，即可通过空间烧孔效应和载流子布居光栅分布所提供的侧模增益进入多纵模工作状态。当为有源区提供足够低的群速度色散（GVD）设计时，QCL本身强大的非线性可将腔模锁定在光频梳（FC）模式。然而由于有源区InGaAs等材料组分带隙较窄，短波长3-5μm QCL具有较大的材料色散，这使得器件很难通过自启动进入FC状态，因此需要更严格且高效的色散补偿方案。陆全勇研究员提出了一种基于倏逝波耦合的单片集成多模波导色散补偿方案（MIMWG），该方案在有源区下方引入一高折射率的InGaAs无源波导，该无源波导中的高阶横模与有源区基模耦合产生具有低群速度色散的超模式，通过合适的波导设计将该超模式更多地限制在有源区中可实现器件工作在低色散状态中，如图1所示。
图1 a. MIMWG QCL频率梳示意图。b. 器件截面SEM图（上）及超模式电场分布（下）。c.超模式及有源区基模、无源区各阶模式仿真GVD。d.各模式折射率，两相耦合模式的折射率呈现出反交叉效应。e. 超模式光限制因子与GVD随无源波导宽度变化。f. 有源区-无源波导两种位置关系对应的热场分布
这种良好的散热设计以及有效的色散补偿方案使器件在室温下激发放射最大功率超过1W，将这一波段的光梳器件功率提升10倍以上，模间拍频线宽低于1 kHz，最大光谱覆盖范围超过95 cm-1。器件的双光梳多模外差谱呈现清晰的双光梳梳齿，表明光梳各梳齿之间有着确定的相位关系，这验证了MIMWG色散补偿方案的有效性。相比于单模耦合波导和腔面镀膜色散补偿机制，MIMWG方案因其出色的色散补偿效果以及与有源-无源耦合良好的兼容性使其在中红外光子集成电路（PIC）、片上传感和环形腔光梳等研究具有潜在的应用价值。
图2 a. 器件15℃、20℃、25℃下PIV测试图，20℃下最大功率超过1W。b.经时间平均算法校正后双光梳谱，信号覆盖范围约1.2 GHz。c.器件不同电流下光谱图及对应模间拍频谱，光谱最大覆盖范围为95 cm-1，拍频线宽在大部分电流下均低于1 kHz
