在6.8 μm波长下具有20 cm–1连续调谐的单模半导体环形激光器

《ACS Photonics》：Single Mode Semiconductor Ring Laser with 20?cm–1 Continuous Tuning at 6.8 μm

　　

宽带中红外光谱（mid infrared spectroscopy）能够同时探测多种分子，但需要能够在宽范围内调谐的光源。单模可调谐环形激光器（ring laser）对于光谱传感极具吸引力，因为它兼具紧凑性和平滑调谐超过分布式反馈激光器（distributed feedback laser, DFB）带宽的能力。在本工作中，研究人员展示了一种单方向环形激光器，在室温连续波（continuous-wave, CW）运行下实现了超过20.43 cm^–1（93 nm）的连续单模调谐。这一性能得益于腔体形状使得材料的T₀参数提高了超过80 K，从而扩展了可达到的热调谐范围。所得工作状态完全兼容波长调制光谱（wavelength modulation spectroscopy, WMS），这是一种被广泛采用的技术，可为痕量气体检测及其他光谱应用提供高灵敏度和鲁棒性。单个环形激光器调谐范围的显著增加是实现可扩展环形阵列结构的关键一步，在该结构中，多个环可组合以覆盖大部分可用增益带宽，并实现宽带、高分辨率的片上光谱。

中红外光谱是分子传感领域最有力的分析工具之一，因为众多分子在这一波段具有强烈的基频振动吸收特征。特别是6 μm波长附近，蛋白质的吸收特征能够支持无标记医学诊断，一次测量中同时探测多种蛋白质具有巨大潜力。然而，蛋白质吸收谱跨越宽光谱范围，而提取详细结构信息又需要高光谱分辨率以分辨宽带内的精细特征，这对光源提出了苛刻要求：必须同时具备宽光谱覆盖、窄线宽连续可调谐性，以及适合实际集成的紧凑结构。

现有可调谐激光器技术仅能满足部分需求。分布式反馈（DFB）激光器具有紧凑、单模连续调谐的优势，但商用器件调谐范围仅约3 cm^–1，使测量局限于窄光谱窗口；集成加热器概念的DFB激光器将调谐扩展至16 cm^–1，但只能脉冲工作。外腔激光器（ECL）调谐范围超过100 cm^–1，但体积大、难以集成且调谐中常出现模式跳变。因此，光谱检测应用长期受限于调谐范围、连续波长覆盖和系统紧凑性之间的权衡。

针对这一瓶颈，研究人员在《ACS Photonics》上报道了一种单模半导体环形激光器，在室温连续波（CW）运行下实现了20.43 cm^–1（93 nm）的连续单模调谐。该成果得益于环形腔形状将材料T₀参数提高了超过80 K，从而显著扩展了热调谐范围。同时，其运行状态完全兼容波长调制光谱（WMS），并具备探测窄谱特征的能力。这一突破为未来将多个环形激光器组合成阵列、覆盖大部分增益带宽并实现片上宽带高分辨光谱奠定了关键基础。

研究人员在维也纳工业大学微纳结构中心（ZMNS）制备了器件，所用量子级联激光器（QCL）增益材料由Nanoplus GmbH生长。器件采用标准干法刻蚀工艺制造，无需外延再生长，并以外延面朝上安装在铜板上。每个器件包含多个耦合到同一总线波导的环形腔，环由4个直段和4个四分之一圆构成，其中一个直段与输出波导倏逝耦合。主要表征技术包括：光-电流-电压（LIV）特性测量、宽范围光谱扫描、波长调制光谱（WMS）实验、基于迈克尔逊干涉仪的窄带特征探测以及调谐速率测量。

### 扩展调谐范围（Extended Tuning Range from a Single Ring）

通过LIV测试，半径为195 μm、耦合长度为55 μm的环表现出0.91 kA/cm²的阈值电流密度，优于同材料4 mm长6 μm宽脊形激光器的1.23 kA/cm²，这归因于环形腔不存在镜面损耗。该环阈值电流为101 mA（电压8.7 V），阈值功率878 mW，远低于脊形激光器的2.76 W，且在室温CW下输出约1 mW光功率。另一个半径为290 μm的环在90至630 mA电流驱动下，从1494.59 cm^–1连续调谐至1474.16 cm^–1，总调谐范围达20.43 cm^–1（93 nm）。根据调谐系数0.11 cm^–1/K换算，这对应有源区温升181.6 K，最高温度217.4 °C。进一步提取T₀参数发现，环形腔（波导不偏置）的T₀为270.17 K，相比同材料脊形激光器的186.69 K显著提升，表明环形腔降低损耗改善了器件的温度稳定性，从而支持更宽的热调谐。

### 与波长调制光谱的兼容性（Compatibility with Wavelength Modulation Spectroscopy）

为验证WMS兼容性，研究人员在直流偏置上叠加10 kHz调制信号，以50 mA/s的速率将电流从80 mA扫描至500 mA，并通过锁相放大器解调二次谐波（2f）信号。使用半径265 μm、耦合长度55 μm的环，调谐覆盖18.5 cm^–1（1491.5至1473 cm^–1），成功探测到环境空气中的水汽吸收特征，与HITRAN数据库中H₂¹⁶O的谱线吻合。尽管在直流工作时某些偏置点会出现边模，但调制过程中偏置连续变化可阻止多模稳态形成，因此这类环仍适用于WMS。研究人员推测，通过设计波导色散可在未来抑制多模态，保持纯粹单模发射。

### 窄特征探测（Probing of Narrow Features）

利用自制高分辨率傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）中的迈克尔逊干涉仪，研究人员将干涉仪作为可调条纹源。当环激光器波长调谐时，探测器信号随干涉条件周期性变化，条纹频率（FF）由两臂光程差决定。对于56 cm的臂差，FF为267 MHz。实验中，半径255 μm的环在100至410 mA下扫描，覆盖11.6 cm^–1，测得信号连续且无跳变，证明可完全分辨小于267 MHz的特征。通过对信号进行Hilbert变换提取瞬时相位，进一步展示了探测更小特征的可能性。此外，施加3 μs电流脉冲测量调谐速率，测得最高速率为0.62 cm^–1/μs，外推脉冲起始最大速率达1.13 cm^–1/μs。

### 讨论与结论

讨论部分指出，环形腔T₀参数的提升与相比脊形激光器更低的腔损耗有关。多模态的出现可由复合Ginzburg–Landau方程描述，在直流运行中仅在某些偏置点形成且不稳定，而调制可有效抑制。未来可通过调节波导色散来维持纯单模状态。

研究结论可总结为：研究人员演示了一种半导体环形激光器，在6.8 μm波长附近实现室温CW单模调谐20.43 cm^–1，全部调谐范围从单个解理面输出，远场特性与DFB激光器相似。环形几何将T₀从186.69 K提升至270.17 K，调谐系数为0.11 cm^–1/K。连续调谐允许