單片集成式主振蕩功率放大器研究進展

doi: 10.37188/CO.2022-0022

• 譚滿清1, 2, , ,  游道明1, 2, , 郭文濤1, , 劉維華1, 2

• 1.

  中國科學院半導體研究所 集成光電子學國家重點實驗室, 北京 100083

• 2.

  中國科學院大學 材料科學與光電技術學院, 北京 100049

基金項目: 國家自然科學基金資助項目（No. 61935018基金）；國家電網公司科技項目（No. 5700-202058482A-0-0-00）

1.   引　言

半導體激光器因其體積小、效率高和可靠性高，被廣泛應用于光泵浦、光纖通信和傳感等領域。傳統的大功率半導體激光器存在側模限制弱、模式不穩定的問題[1]，光束質量因子（M 2，1/e2）超過15，亮度低于10 MW·cm?2·sr?1[2]。為提高光束質量，出現了鎖相激光器[3]、外腔激光器[4]、平板耦合激光器[5]和主振蕩功率放大器等。其中：主振蕩功率放大器(Master-Oscillation Power-Amplifier, MOPA)被廣泛研究。由固體激光器和光纖放大器組成的混合集成式MOPA輸出功率高、光束質量好，然而其對準工藝復雜、體積大[6-7]。研究者將半導體光電子器件引入MOPA中，將半導體激光器和光放大器單片集成，提出了單片集成式MOPA（以下簡稱MOPA），其具有體積小、功率大、光束質量好、轉換效率高等優勢，與微納光電子工藝兼容。在最近的報道中，MOPA的亮度已突破1000 MW·cm?2·sr?1，除光束質量和亮度遠優于傳統的大功率半導體激光器外，通過集成光柵還可壓窄線寬，目前MOPA的線寬已低至10 pm[8-10]。上述優勢使得MOPA成為小型化、高光束質量、高亮度半導體光源的熱門研究方向。

MOPA最早由konsongeky提出，隨后Carlson N W等于1990年首次制作了MOPA器件[11-12]。此后有關MOPA的研究不斷開展，主要研究機構為德國FBH研究所、西班牙UPM大學、法國Ⅲ-Ⅴ實驗室。國內相關研究起步較晚，主要研究單位集中在中國科學院半導體研究所、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所和長春理工大學。隨著研究的深入，形成了兩段式的錐形和脊型MOPA等主流結構。近年來，在上述結構的基礎上，還出現了三段式和包含布拉格光柵的MOPA。目前MOPA已被廣泛應用于光刻、原子鐘和傳感、光存儲、泵浦、倍頻、激光雷達以及集成微光學平臺等領域[13-18]。

傳統的大功率半導體激光器普遍存在光束質量較低的問題[19]，盡管MOPA的光束質量優于傳統大功率激光器，然而仍存在空間燒孔、光束成絲、光泵等現象，特別是在高功率下易引發光束質量的惡化[20]。為解決上述問題，外延結構、腔面鍍膜、電極設置等方面的優化設計被不斷提出。圍繞不同領域的應用需求，出現了具有高功率、窄線寬、高光束質量和高亮度等不同性能特征的MOPA。

本文首先簡要介紹了單片集成式MOPA；接著，介紹了目前MOPA的主流結構和特征；然后，針對MOPA存在的問題，梳理了近年來相關的優化設計方案，圍繞不同性能特征的MOPA介紹最新的器件性能；最后，總結MOPA的研究進展，并分析未來可能的發展趨勢。

2.   MOPA的主流結構與特征

單片集成MOPA將主振蕩器(Master Oscillator，MO)和功率放大器(Power Amplifier，PA)集成在同一襯底上。為加強側模限制，主振蕩器通常采用脊波導半導體激光器，用于產生高光束質量的單模種子光。功率放大器為半導體光放大器，種子光輸入PA中被增益介質放大后輸出。出光腔面的增透膜雖可降低反射光的影響，然而仍存在部分剩余反射，使得光耦合進波導外的無源區域，不斷反饋形成高階模，因此在MO和PA間設置有隔離凹槽或臺階，將反射光泄漏到襯底。

2.1   錐形MOPA

錐形MOPA由脊波導主振蕩器和錐形波導光放大器共同組成諧振腔，其中由折射率導引的主振蕩器和增益導引的放大器構成的錐形MOPA也被稱為錐形激光器（Tapered Lasers，TPL），圖1為其結構示意圖。錐形MOPA的出現首次將MOPA的功率提高到瓦級[21]。寬度漸變的錐形結構允許光束逐漸擴展，從而降低腔內光功率密度，有效減弱空間燒孔和自聚焦效應，通過與種子光衍射角匹配，可輸出高質量的光。錐形光放大器寬大的腔面還有助于降低光功率密度，從而提高光學鏡面災變損傷的閾值[22]?；谏鲜鲋C振和增益結構，錐形MOPA實現了高光束質量的大功率輸出。除傳統結構外，還出現了傾斜錐形和雙錐形等特殊的錐形MOPA結構。

圖  1  錐形MOPA結構示意圖。（a）立體結構；（b）平面結構

Figure  1.  (a) Three-dimensional structure and (b) planar structure of a tapered-MOPA

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

錐形MOPA區別于普通MOPA的最大特征是采用了錐形光放大器，其錐角的大小顯著影響輸出特性和光束質量，錐角需要與種子光的發散角相匹配，否則易產生高階模，并造成光斑不對稱，增加耦合難度，錐角范圍通常為3°~6°[23]。在此范圍內，適當增加錐角能夠減緩自聚焦，使得腔內的載流子和光子密度分布更均勻[24]。通過增加錐角還能提高增益體積，進而提高功率。然而錐角過大容易引發光束的偏轉和衍射，影響MOPA的近場和遠場特性。除采用大錐角外，研究結果表明降低錐角能夠獲得更穩定的單空間模式輸出[25]。陳忠浩等人采用小錐角（0.3°）設計，結合光子晶體制作錐形MOPA，在高功率下實現了基模輸出[26]。

為滿足高輸出功率的要求，需要提高錐形MOPA的飽和增益功率，最為直接的方法是增加錐形放大器的增益體積。如采用大錐角和長腔的結構，放大器腔長為4 mm的錐形MOPA即可獲得10 W的輸出功率[27]，然而功率提升的同時也會增加閾值電流，過大的錐形放大器更易引發空間燒孔和光束成絲。此外，導波機制也會對MOPA的輸出特性造成影響[28]。

錐形MOPA中另一個不容忽視的問題是出光面的剩余反射。為降低腔面反射，研究者在出光面附近嘗試采用傾斜、彎曲等結構[29]。研究表明，非線性的錐形結構也有助于匹配增益與光場分布，減少反射光與入射光的耦合，避免光束成絲效應，進而提高模式穩定性[30]。

傳統的錐形MOPA趨于成熟，為提高性能，研究者們將目光轉向對錐形放大器的改進，相比與單錐形結構，雙錐形結構能夠改善光束偏移，改善器件的光束質量[31]。LIU L等人報道的錐形MOPA，就采用了這種雙錐形結構，兩側對稱設置的錐形放大器，具有邊模抑制比高、對腔面相位不敏感等優勢，高階側模在傳輸過程中被雙錐形放大器不斷濾除，實現了基橫模輸出[32]。如圖2（彩圖見期刊電子版）所示，2019年，LEI Y X等人采用周期性電注入形成增益導引DFB激光器。他們利用表面電極替代側向耦合光柵，降低了對高精度光柵制造工藝的要求，適合大規模生產，并通過深刻蝕形成折射率導引以增強對模式的限制，所制作的雙錐形結構的MOPA擁有高光束質量，M 2=1.7（1/e2）[33]。

圖  2  雙錐形激光器結構示意圖。（a）平面示意圖；（b）立體結構示意圖；（c）表面光柵的SEM剖面圖；（d）表面光柵的SEM頂視圖；（e）周期電注入示意圖[33]

Figure  2.  Schematic diagram of double tapered laser. (a) Planar structure; (b) three-dimensional structure; (c) SEM profile of the surface grating; (d) top view of the SEM of surface grating; (e) periodic electric injection diagram[33]

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

目前錐形MOPA還面臨一些問題，如：增益導引錐形放大器的側向限制較弱，種子光進入錐形放大器后被衍射，易激發高階模式；此外，由腔面剩余反射引起的光也會在腔內反饋形成高階模[34]；不僅如此，由于錐形MOPA出光面的橫向尺寸遠大于外延方向的尺寸，造成快軸和慢軸發散角差距大，光斑呈扁平的橢圓形，必須經過光束整形才能耦合進其他器件或光纖中。這些問題限制了錐形MOPA的應用。

2.2   脊型MOPA

脊型MOPA由折射率導引的脊型主振蕩器和功率放大器構成，如圖3所示，其中放大器的脊寬與主振蕩器相當，光束質量在腔內傳輸過程中保持較好。而且由于折射率導引的脊型放大器具有較強的側模限制，使得輸入放大器的種子光能夠保持單模輸出。

圖  3  脊型MOPA的結構示意圖

Figure  3.  Structure diagram of a ridge-amplifier MOPA

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

德國FBH研究所的BROX O等人報道了一種彎曲的脊型MOPA。如圖4所示，脊型PA在出光面附近有5°彎曲，這種設計有效避免了反射光進入腔內，有效抑制高階模式，M 2接近1，實現了近高斯光束的基橫模輸出，然而，由于彎曲結構大幅影響了諧振效應，該器件的功率僅有300 mW[35]。

圖  4  彎曲脊型MOPA結構示意圖[35]

Figure  4.  Structure diagram of a bent ridge-amplifier MOPA[35]

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

種子光的質量直接影響脊型MOPA的性能，其除確保放大器僅受單模種子光的激勵外，還決定了出射光的形狀和發散角。主振蕩器的脊寬被認為是種子光的主要影響因素之一，脊寬過大則超出一階模截止條件，無法限制高階側模，而脊寬太小則會導致刻蝕深度較低，從而產生強側向導引，易激射高階側模，這時適當增加脊寬有助于提高功率[36-37]。也有關于雙溝脊波導用于MOPA中的報導，在不改變基模的模式增益和損耗的基礎上，將高階側模泄漏到溝槽中，使得高階側模的損耗大幅增加，以提升基模的穩定性[38]。

隨后，BROX O等人[39]改進了脊型MOPA，優化DFB光柵以減弱非線性效應，這些措施大幅改善了MOPA的模式特性。他們通過調整脊型PA結構，采用低反射率的增透膜，在保持基橫模輸出的同時，實現了瓦級的單縱模、高光束質量輸出，并且光斑接近圓形，無需光束整形即可耦合到光纖中。

相比錐形MOPA，盡管犧牲了部分增益體積，但獲得了更好的側模限制和模式穩定性。此外，由于脊型MOPA出光面尺寸小，光斑大小與普通半導體激光器相當，無需光束整形，結合大光腔和雙溝脊波導等優化結構還能獲得近圓形的光斑。因此，脊型MOPA被廣泛用于對光束質量和模式特性要求較高的領域。

2.3   布拉格光柵型MOPA

傳統的MOPA采用法布里-珀羅（FP)型激光器作為MO，難以實現單縱模，在高速調制下會發生光譜展寬，布拉格光柵型MOPA中采用布拉格光柵形成的DBR (Distributed Bragg Reflector)和DFB (Distributed Feed Back)激光器作為主振蕩器。光柵的引入使得MOPA具有縱模選擇特性，大幅降低了線寬。圖5展示了DFB-MOPA和DBR-MOPA的結構，布拉格光柵集成在MO中，由于光柵外腔的半導體激光器在線寬和波長穩定性等多方面具有優勢[40]。

圖  5  布拉格光柵型MOPA結構示意圖。（a）DBR型；（b）DFB型

Figure  5.  Structure diagrams of grating-MOPA. (a) DBR; (b) DFB

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

此前，對于布拉格光柵型MOPA的研究集中在掩埋光柵結構方面，由于多段相移和周期調制光柵工藝復雜，因此在MOPA中未獲得廣泛應用。為解決傳統光柵的雙模激射和空間燒孔等問題，結合增益耦合機制的表面光柵和側向耦合光柵的方案具有諸多優勢，如無需二次外延、光刻工藝簡單，但仍存在光柵反饋弱、功率低等問題，最大功率僅mW量級[41-42]。研究人員嘗試將增益耦合、表面或側向耦合光柵引入MOPA中。2019年，LEI Y X等報道的DFB-MOPA，采用表面周期性電注入形成增益耦合型光柵，表面電極對光刻精度要求低，并且MOPA結構還克服了功率低的問題，獲得了瓦級的輸出功率，但該設計還需解決載流子易擴散的問題[43]。

由于復合腔效應，DFB-MOPA的動態特性不穩定[44]。相比之下，基于DBR光柵的器件的動態特性更加穩定，還具有濾除高階側模的作用，如圖6所示。Helal M A等人[45]發現DBR光柵能夠抑制光泵效應，脊型主振蕩器內的后向波受光柵衍射影響，可濾除高階側模。然而DBR-MOPA同樣會受到反射光的影響，即使是?40dB的微小反射也會嚴重影響其動態穩定性[46]。

圖  6  雙光柵型MOPA的結構示意圖[47]

Figure  6.  Structure diagram of a double DBR grating MOPA[47]

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

縱向空間燒孔是光柵型MOPA所面臨的主要問題，特別是在大注入電流下，光柵的模式選擇特性被嚴重破壞。這是由于主振蕩器和放大器的交界處存在復雜的正向和反向傳播場的相位關系變化，導致縱模跳變。適當提高光柵的耦合長度積kL能夠降低光反饋的敏感度，從而穩定縱模[48]。

光柵受溫度和電流的影響小，因此光柵型MOPA的模式穩定性和溫度穩定性好，被廣泛用于倍頻，如圖7所示。2020年，Antti等人[38]制作的DBR-MOPA由DBR光柵鎖定波長，減少了溫度變化引起的波長漂移，溫漂系數僅為0.1 nm/ °C，遠低于傳統半導體激光器。2022年，Mourikis C等人報道了一種DBR-MOPA，通過算法控制光柵的注入電流實現了鎖相，大幅提高了相干合成(CBC)效率[49]。

圖  7  光柵型MOPA用于倍頻的裝置圖[50]

Figure  7.  Schematic diagram of the frequency doubling setup with a MOPA[50]

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

近年來隨著光柵型MOPA的研究不斷深入，出現了多種新型光柵結構。其中錐形光柵的MOPA具有較好的側模抑制、高模式穩定性[51]。2021年，Sumpf B課題組先后報道了兩種錐形光柵MOPA，如圖8所示，線寬僅為19 pm，隨后通過改進光柵，將線寬降至1 pm，是目前所報道的MOPA最小線寬，功率也達到7 W[52-53]。

圖  8  錐形光柵型MOPA結構示意圖[52]

Figure  8.  Structure diagram of a MOPA with tapered grating[52]

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

錐形光柵的加入大幅改善了MOPA的輸出特性，為大功率、窄線寬MOPA的優化提供了新方法。2008年，LUCAS-LECLI G等人提出一種基于光柵外腔的MOPA[54]。除了單管結構外，近年還報道了布拉格光柵型MOPA陣列，實現多波長激射和鎖相等功能[55-57]。

2.4   三段式MOPA

MOPA通過控制mW量級的主振蕩器電流，能夠實現高頻下輸出功率的大范圍調節，因此在自由空間光通信和激光雷達等領域具有較大潛力。傳統的MOPA通常由MO和PA兩部分組成，主要通過增加調整電流進行直接調制。該調制方式會影響器件的輸出特性和光束質量。為提高調制性能并降低對器件的影響，出現了三段式MOPA，如圖9（彩圖見期刊電子版）所示，在主振蕩器和放大器之間加入預放大器或調制器。該設計通過上述結構可對MOPA進行獨立調制。同時，科研人員建立了三段式MOPA的電學模型，如圖10所示[58-59]。

圖  9  三段式MOPA結構示意圖

Figure  9.  Structure diagram of three section MOPA

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

圖  10  外腔鎖相MOPA結構示意圖[60]

Figure  10.  MOPA-based external Cavity mode-locked laser[60]

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

2020年，Zink C等人報道了一種三段式MOPA，通過調整控制器CON的電流注入，改變種子光的功率和相位等，調整器件整體輸出功率、線寬和光束質量，獲得的功率高達9.6 W。不僅如此，他們還采用了錐形光柵和傾斜錐形放大器結構。這些設計加強了側模限制，因此光束質量也較高(M2=1.5)[29]。

康寧公司的Li J等人報道了一種可調諧三段式MOPA，該MOPA包括放大器、控制器和DBR振蕩器，它們均為脊型側向限制。MOPA中集成了微加熱器，通過控制微加熱器的溫度，改變DBR光柵的折射率，從而在較寬范圍內改變波長，通過調節控制器的電流，可以更為精細地調諧波長[61]。

可調諧激光器是光通信的關鍵器件，基于三段式MOPA的調諧功能也被廣泛研究，目前已報道了DBR、DFB和外腔等多種可調諧MOPA，涵蓋了溫度調諧、電流調諧等機制[61-66]。半導體激光器是最主要的混沌激光光源，近年來基于三段式MOPA產生混沌激光的方式也受到關注[67-68]。

MOPA中具有代表性的光放大器結構為錐形和脊型，由此形成了錐形MOPA和脊型MOPA。DFB和DBR光柵也被用于MOPA中，起著縱模選擇、穩定模式、側模濾除等作用，除傳統的主振蕩器和功率放大器構成的兩段結構外，還出現了三段式MOPA。表1中總結了MOPA的主流結構和特征及面臨的問題。

表  1  MOPA的主流結構和其特征及其面臨的問題

Table  1.  Structures, characteristics and problems of main MOPAs

下載: 導出CSV 

| 顯示表格

3.   MOPA的優化設計

高功率下光束質量急劇惡化這一問題始終制約著MOPA的發展，MOPA中影響光束質量的因素包括光泵、電泵、空間燒孔、光束成絲、載流子透鏡和熱透鏡效應等[69-70]。研究人員建立了MOPA的電光仿真模型，以深入理解影響非線性效應的各種因素[71-73]。為解決上述問題，近年來在外延結構、腔面增透膜和電極等優化設計方面有較大的進展。

3.1   外延層優化

外延結構直接影響MOPA的光束質量和功率，近年來有關研究主要集中在有源區和波導層的設計優化，其關鍵是通過有源區優化，提高內量子效率、降低內損耗等。為在大電流下保持內量子效率和內損耗穩定，通過降低P型波導層厚度并對其進行重摻雜，降低串聯電阻和熱阻。

MOPA的有源區主要為應變量子阱，此外還有量子點和量子級聯[74-75]。通過優化應變類型和應變量，在保持載流子限制的基礎上，減少非輻射復合，提高內量子效率，應變同樣會影響使用壽命[76]。為降低內損耗，需要控制量子阱數目，低限制因子的MOPA功率依然能達到瓦級[77]。適當增加量子阱數目，也可以提高功率，相比與單量子阱的MOPA，雙量子阱器件的功率提升近40%[78]。

MOPA波導層優化方面，大光腔（LOC）和非對稱結構被廣泛應用，通過增加波導層厚度，降低結溫和光功率密度、提高光模體積、提高輸出功率，并降低垂直發散角從而實現MOPA波導層優化。Dittmar F等人報道的具有大光腔的錐形激光器，功率超過16 W，這是已有報道中單管MOPA的最高功率[79]。大光腔的主要問題有橫向模限制弱，容易激發高階橫模等，需要嚴格限制波導厚度。

由于光在N型介質中損耗較低，非對稱波導通過增加N型波導層厚度，使光場偏離P型區并降低內部損耗，非對稱波導還有助于提高MOPA的光束質量[80]。Tijero J M G等人證明非對稱波導可以使光子和載流子分布更均勻，減緩非線性效應，且不會影響輸出特性，75% N型區占比的器件亮度提高了3倍[81]。因此，由非對稱波導和大光腔結合形成的非對稱超大光腔(ASLOC)能夠有效提高MOPA的功率，被廣泛應用于MOPA中。

光子晶體被證明可以提高MOPA的光束質量，通過周期性生長高低折射率材料，形成一維光子晶體，高階模式在光子晶體中不斷損耗，除基模外全部濾除，并大幅降低垂直發散角[82-83]。2018年，馬曉龍等人報道了一種980 nm基橫模錐形激光器，由9周期高低折射率AlGaAs組成光子晶體層，有效濾除高階橫模，并具有高模式穩定性，M 2小于2，垂直發散角也僅有11°[84]。

隨后，Zhou X Y等人于2019年通過優化光子晶體，提升MOPA的輸出特性，獲得的M 2<1.5（1/e2）[85]。此外，二維光子晶體也被引入MOPA中，用于限制側模。2017年，Li Y等人在脊波導兩側制作光子晶體，使得高階橫模泄漏到光子晶體中被損耗，而基模仍在脊波導中傳播，增益和損耗不受影響，側向光子晶體有效濾除高階橫模，大幅提高了光束質量，所制備的錐形激光器的M 2僅為1.9，功率更是接近7 W[86]。

3.2   腔面光學薄膜優化

為避免光反射對MOPA產生影響，近年來提出了多種創新結構，如八字抗反射槽和非吸收窗口等，而增透型腔面光學薄膜則是抑制光反射的主要方法[87-88]。前腔面鍍增透膜能夠顯著降低反射率，采用高低折射率如氧化硅和氮化硅等材料組成周期性膜層，并通過合理的膜系設計和鍍膜工藝可以獲得增透膜，結合腔面鈍化還有助于提高COD閾值[89-90]。因此，制備低反射率的增透膜成為MOPA的關鍵。盡管理論上可以獲得接近全透光的薄膜，然而由于工藝和材料等問題，實際上很難制備出反射率低于0.01%的增透膜。

雖然增透膜的使用大幅削弱了反射光，但腔面的剩余反射仍會使一部分光反射回腔內，并在脊波導兩側無源區內反復振蕩，形成高階模。特別是在大電流注入的情況下，會形成耦合腔模式，導致近場光斑出現旁瓣，遠場出現多旁瓣，造成動態模式的不穩定，最終導致光束質量下降[23]。通過研究不同反射率下MOPA的光子和載流子密度的關系，發現隨著前腔面反射率的降低，腔內的空間燒孔和多旁瓣現象得到抑制。

傳統的MOPA中，后腔面通常采用高反膜或DBR光柵增強反射，以提高功率并降低閾值電流。為避免非線性效應的影響，在后腔面鍍增透膜，可有效降低反射光的影響，進而抑制FP模式和耦合腔模式，最終提高MOPA的模式穩定性和光束質量。FIEBIG C等人將后腔面反射率從98%降至5%，光束質量得到大幅提高，M 2從5.5降到3.5[91]。SUMPF B和Mü LLER A通過進一步降低后腔面反射率，有效抑制了主振蕩器的光泵效應，所制作的錐形激光器中M2小于2[92-94]

3.3   電極優化

傳統的錐形激光器為共面電極，振蕩器的注入電流為mA量級，共面電極的MOPA中的絕大部分電流注入到放大器中，對功率進行調制需要大幅調整電流。分離電極的設計初衷是為提高MOPA的輸出和調制特性。如圖11所示，將振蕩器和放大器的電極分開，通過電流分區注入，獨立控制各區的電流，這樣僅需要小幅調整注入振蕩器的電流，即可大范圍地調節MOPA輸出功率[95]。

圖  11  分離電極MOPA的結構示意圖

Figure  11.  Diagram of separating electrode

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

Ma X Y課題組對分離電極的錐形激光器做了大量研究，該組的李璟等人采用分離電極設計，將錐形激光器的M 2從3.79降至2.45[96]。2021年，該組的曼玉選等人研究了各電極的電流對光束質量和光斑的影響，通過優化注入電流，結合電極制作工藝的改進，進一步提高了光束質量，將M 2降至1.66[97]。

通過精確地控制各電極的電流，有助于減弱非線性效應。相較于共面電極MOPA，在不改變器件結構的基礎上，光束質量得到顯著提高[98]，這為改善大功率MOPA的光束質量提供了新的途徑?；诜蛛x電極，MOPA的調制也成為研究熱點，文獻[71]通過直接調制MO電流，在2 W的高功率下實現了33 W/A的調制效率。但是還需要解決電流串擾問題，特別是在極小的封裝管殼內。

4.   不同性能特征的MOPA

4.1   高功率MOPA

為滿足泵浦、材料加工、自由空間光通信等領域的需求，高功率MOPA被廣泛研究。隨著外延結構和腔面鍍膜等方面研究的深入，ASLOC (Asymmetric Supper Large Optical Carity)被大量應用，旨在提升耦合精度和散熱效率的封裝技術不斷出現。MOPA的功率獲得大幅提升，目前高功率MOPA的研究集中在1 μm波段，連續輸出(CW)功率超過10 W。除單管MOPA的功率不斷提升外，MOPA陣列經過合束后可獲得50 W以上，甚至百瓦級的功率[99-100]，表2列出了近年來大功率MOPA的研究成果。

表  2  大功率MOPA研究進展

Table  2.  Progress of high-power MOPA

下載: 導出CSV 

| 顯示表格

4.2   窄線寬MOPA

隨著光通信的發展，對窄線寬光源的需求不斷增加。窄線寬和動態單模最有效的實現方式是依托布拉格光柵選擇縱模，然而內置光柵型激光器功率僅mW量級[29]。為同時滿足線寬和功率的要求，形成布拉格光柵型MOPA，光柵的引入極大地壓縮了線寬，最近報道的光柵型MOPA的功率接近5 W，線寬從nm量級降低到pm量級[104]。表3列出了20 pm以下MOPA的研究進展。

表  3  窄線寬MOPA的研究進展

Table  3.  Progress of MOPAs with a narrow linewidth

下載: 導出CSV 

| 顯示表格

4.3   高光束質量MOPA

為實現高光束質量，主要關注外延結構、側模限制和光學薄膜的優化設計，以抑制非線性效應，此外，還引入了光子晶體和分離電極等。高光束質量MOPA 在氣體檢測、泵浦和倍頻等領域具有重要價值，界面處的光束擾流器被證實能夠提高基模穩定性[106]。為實現基橫模輸出，包括電流非注入區和一維光子晶體等，近年來限制側模的方案被不斷提出[86, 107]，表4列出了近年高光束質量MOPA的報道。

表  4  高光束質量MOPA研究進展

Table  4.  Progress of MOPAs with high beam quality

下載: 導出CSV 

| 顯示表格

4.4   高亮度MOPA

在半導體激光器的許多應用領域內，如泵浦、激光武器和機械加工等，要求光束具有較高亮度。MOPA被認為是實現高亮度的主要途徑之一，實現高亮度需要同時改善光束質量和功率。目前高亮度MOPA已覆蓋可見光到近紅外波段[111]，最高亮度已達到 1GW?cm?2?sr?11GW?cm?2?sr?1[112]。表5中列出了部分高亮度MOPA的報道。

表  5  高亮度MOPA研究進展

Table  5.  Progress of MOPAs with high-brightness

下載: 導出CSV 

| 顯示表格

5.   結　論

經過30年的發展，單片集成式MOPA的研究不斷深入。形成多種類型的MOPA，其中錐形MOPA（TPL）實現了近衍射極限的高功率輸出，其因優異的性能獲得廣泛關注，成為商用MOPA產品的主流結構。而脊型MOPA彌補了錐形MOPA存在的多側模和光束整形耦合難度大等缺陷?？梢灶A計，隨著研究的深入，集成了布拉格光柵，錐形和脊型MOPA的性能將得到進一步提升，新型的三段式結構也拓展了MOPA的應用領域。針對MOPA普遍面臨的高功率下光束質量退化等問題，相繼涌現諸多解決方案，近年來在外延層、腔面光學薄膜分離電極等方面取得了較多突破，器件結構和工藝的進步支撐了MOPA的發展。

針對多種應用領域形成具有不同性能特征的MOPA，包括高功率、窄線寬、高光束質量和高亮度。未來，MOPA的發展趨勢是實現更高性能，尤其是同時具備多種性能特征，以滿足多領域的需求。相關產品也已上市，隨著更多研究成果逐步得到應用，可以預計，商用MOPA的功率將提升至10 W以上，而線寬也將低于200 kHz，光束質量也將保持在較高的水平，并接近基模高斯光束。