近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所王立軍院士團隊聯合吉林大學鄭傳濤教授團隊，在Optics and Laser Technology上發表題為“A Multi-Wavelength Complex-coupled DFB Laser Array Based on High-Order Surface Gratings for Gas Sensing Applications”的研究論文。論文通訊作者為梁磊研究員，第一作者為博士生胡淼。
該研究提出并實驗驗證了一種基于高階表面光柵和周期性電流注入的8通道復耦合分布式反饋（DFB）半導體激光器陣列，無需外延再生長或納米級光刻工藝，即可實現窄線寬、高功率、波長可擴展的多波長激光輸出，為近紅外集成多組分氣體傳感提供了低成本、高性能的光源解決方案，在環境監測、集成光子學等領域具有重要應用價值。
在多組分痕量氣體吸收光譜檢測中，激光光源需同時滿足窄線寬、高輸出功率、多波長可調等要求。傳統多波長DFB激光器陣列常依賴掩埋式布拉格光柵結構，存在工藝復雜、制造成本高、波長一致性難控制等問題，限制了其在高精度多組分集成氣體檢測系統中的應用。為此，研究團隊提出了“高階表面光柵+周期性電流注入”的復耦合機制，通過脊波導表面的高階光柵實現有效折射率調制，采用分段式P型電極與SiO2絕緣溝槽實現周期性增益調制，二者協同作用形成復耦合反饋，既提升了模式選擇性，又簡化了制備流程。
8通道復耦合DFB激光器陣列的結構及工作原理示意圖
核心技術亮點
創新結構設計：無需外延再生長和納米級光刻，通過高階表面光柵與周期性電流注入的復合結構，實現折射率調制與增益調制的協同作用，構建穩定的復耦合DFB機制。
空穴濃度（a）–（f）隨刻蝕深度（400–900 nm）變化的曲線及其相應擬合函數。
卓越性能表現：8通道激光器陣列在25℃連續波工作下，發射波長覆蓋1508–1583 nm，各通道均實現穩定單模輸出，邊模抑制比（SMSR）超45 dB，閾值電流約100 mA；驅動電流700 mA時，單通道最大輸出功率達175 mW，線寬2.08–3.51 MHz，兼具高功率與窄線寬優勢。通過電流和溫度調諧，每個通道可實現4–5 nm的連續波長調節，以1550 nm通道為例，電流調諧系數為0.007 nm/mA，溫度調諧系數為0.12 nm/℃，滿足不同氣體吸收線的匹配需求。
(a) 八通道分布式反饋（DFB）激光器陣列在 25℃連續波（CW）工作模式下的電壓-電流（V-I）特性與光功率-電流（P-I）特性。(b) 各通道斜率效率隨中心波長的變化關系。
(a) 八通道激光器陣列的中心波長；(b) 八通道激光器陣列的離散發射光譜。
(a) 八通道 DFB 激光器陣列的波長隨注入電流的變化關系；(b) 八通道 DFB 激光器陣列的波長隨溫度的變化關系。
應用驗證成效
研究團隊通過兩種典型傳感配置驗證了激光器陣列的實用性：
在乙炔（C?H?）檢測中，基于強度調制光譜技術，針對1520.1nm吸收線，最優平均時間46 s時檢測限低至200 ppm，響應時間僅2.8s，展現出快速檢測能力；
在二氧化碳（CO?）檢測中，采用腔增強吸收光譜（CEAS）配置，針對1577.4nm吸收線，最優平均時間67.6s時檢測限達7.75ppm，0.4s快速檢測模式下檢測限為134.9ppm，兼顧了檢測靈敏度與響應速度。
該激光器陣列通過簡化工藝降低了制造成本，同時以寬波長覆蓋、高功率、窄線寬的綜合性能，為多組分氣體傳感提供了一體化光源解決方案。未來團隊將進一步推進器件的片上集成，優化通道擴展與熱管理方案，助力緊湊型光譜傳感模塊的開發，推動其在環境監測、工業過程控制等領域的規模化應用。
