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摘要:
单片集成式主振荡功率放大器（MOPA）具有体积小、功率大、光束质量高等优势，通过集成布拉格光栅，还能够实现窄线宽和动态单模，在倍频、泵浦、光通信和传感等领域具有重要应用价值，是近年来半导体光电子器件的研究热点。本文梳理了单片集成式MOPA的主流结构，包括锥形、脊型、布拉格光栅型和三段式MOPA，以各自的工作原理和性能特征为出发点，介绍其主要的研究方向，并结合它们各自面临的问题介绍最新的发展趋势。针对单片集成式MOPA中普遍存在的高功率下光束质量退化的问题，梳理了近年在外延层结构、腔面光学薄膜和电极设置等方面的优化设计，重点总结了单片集成式MOPA在提高光束质量及高功率、容线宽及高亮度方面的重要进展。围绕不同领域的应用需求，整理了具备高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等性能特征的单片集成式MOPA的研究进展，最后展望了单片集成式MOPA的发展趋势。
Abstract:Besides its advantages in volume, power and beam quality, a monolithic integration Master-Oscillation Power-amplifier (MOPA) can also realize a narrower linewidth and dynamic single-mode by integrating Bragg grating. Its application value is high in the fields of frequency doubling, pumping, optical communication and sensing, which makes it a popular research topic in recent years. This paper firstly went over the mainstream structure and characteristics of monolithic integrated MOPA, including a tapered amplifier, ridge amplifier, Bragg grating and three-section MOPA. Based on their working principles and performance characteristics, we introduce the main research directions and the latest development trends in combination with their problems. Aiming at the problem of beam quality degradation at high power in monolithic integrated MOPA, the optimal design of epitaxial layer structure, facet optical film and electrode aspects are then summarized for monolithic integrated MOPAs. After that, we sort out the research progress of MOPAs with different performance characteristics for various application requirements including high power, narrow linewidth, high beam quality and high brightness. Finally, we prospect the development trend of monolithic integrated MOPA.
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1. 引 言
半导体激光器因其体积小、效率高和可靠性高，被广泛应用于光泵浦、光纤通信和传感等领域。传统的大功率半导体激光器存在侧模限制弱、模式不稳定的问题[1]，光束质量因子（M 2，1/e2）超过15，亮度低于10 MW·cm−2·sr−1[2]。为提高光束质量，出现了锁相激光器[3]、外腔激光器[4]、平板耦合激光器[5]和主振荡功率放大器等。其中：主振荡功率放大器(Master-Oscillation Power-Amplifier, MOPA)被广泛研究。由固体激光器和光纤放大器组成的混合集成式MOPA输出功率高、光束质量好，然而其对准工艺复杂、体积大[6-7]。研究者将半导体光电子器件引入MOPA中，将半导体激光器和光放大器单片集成，提出了单片集成式MOPA（以下简称MOPA），其具有体积小、功率大、光束质量好、转换效率高等优势，与微纳光电子工艺兼容。在最近的报道中，MOPA的亮度已突破1000 MW·cm−2·sr−1，除光束质量和亮度远优于传统的大功率半导体激光器外，通过集成光栅还可压窄线宽，目前MOPA的线宽已低至10 pm[8-10]。上述优势使得MOPA成为小型化、高光束质量、高亮度半导体光源的热门研究方向。
MOPA最早由konsongeky提出，随后Carlson N W等于1990年首次制作了MOPA器件[11-12]。此后有关MOPA的研究不断开展，主要研究机构为德国FBH研究所、西班牙UPM大学、法国Ⅲ-Ⅴ实验室。国内相关研究起步较晚，主要研究单位集中在中国科学院半导体研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和长春理工大学。随着研究的深入，形成了两段式的锥形和脊型MOPA等主流结构。近年来，在上述结构的基础上，还出现了三段式和包含布拉格光栅的MOPA。目前MOPA已被广泛应用于光刻、原子钟和传感、光存储、泵浦、倍频、激光雷达以及集成微光学平台等领域[13-18]。
传统的大功率半导体激光器普遍存在光束质量较低的问题[19]，尽管MOPA的光束质量优于传统大功率激光器，然而仍存在空间烧孔、光束成丝、光泵等现象，特别是在高功率下易引发光束质量的恶化[20]。为解决上述问题，外延结构、腔面镀膜、电极设置等方面的优化设计被不断提出。围绕不同领域的应用需求，出现了具有高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度等不同性能特征的MOPA。
本文首先简要介绍了单片集成式MOPA；接着，介绍了目前MOPA的主流结构和特征；然后，针对MOPA存在的问题，梳理了近年来相关的优化设计方案，围绕不同性能特征的MOPA介绍最新的器件性能；最后，总结MOPA的研究进展，并分析未来可能的发展趋势。
2. MOPA的主流结构与特征
单片集成MOPA将主振荡器(Master Oscillator，MO)和功率放大器(Power Amplifier，PA)集成在同一衬底上。为加强侧模限制，主振荡器通常采用脊波导半导体激光器，用于产生高光束质量的单模种子光。功率放大器为半导体光放大器，种子光输入PA中被增益介质放大后输出。出光腔面的增透膜虽可降低反射光的影响，然而仍存在部分剩余反射，使得光耦合进波导外的无源区域，不断反馈形成高阶模，因此在MO和PA间设置有隔离凹槽或台阶，将反射光泄漏到衬底。
2.1 锥形MOPA
锥形MOPA由脊波导主振荡器和锥形波导光放大器共同组成谐振腔，其中由折射率导引的主振荡器和增益导引的放大器构成的锥形MOPA也被称为锥形激光器（Tapered Lasers，TPL），图1为其结构示意图。锥形MOPA的出现首次将MOPA的功率提高到瓦级[21]。宽度渐变的锥形结构允许光束逐渐扩展，从而降低腔内光功率密度，有效减弱空间烧孔和自聚焦效应，通过与种子光衍射角匹配，可输出高质量的光。锥形光放大器宽大的腔面还有助于降低光功率密度，从而提高光学镜面灾变损伤的阈值[22]。基于上述谐振和增益结构，锥形MOPA实现了高光束质量的大功率输出。除传统结构外，还出现了倾斜锥形和双锥形等特殊的锥形MOPA结构。
图 1 锥形MOPA结构示意图。（a）立体结构；（b）平面结构Figure 1. (a) Three-dimensional structure and (b) planar structure of a tapered-MOPA锥形MOPA区别于普通MOPA的最大特征是采用了锥形光放大器，其锥角的大小显著影响输出特性和光束质量，锥角需要与种子光的发散角相匹配，否则易产生高阶模，并造成光斑不对称，增加耦合难度，锥角范围通常为3°~6°[23]。在此范围内，适当增加锥角能够减缓自聚焦，使得腔内的载流子和光子密度分布更均匀[24]。通过增加锥角还能提高增益体积，进而提高功率。然而锥角过大容易引发光束的偏转和衍射，影响MOPA的近场和远场特性。除采用大锥角外，研究结果表明降低锥角能够获得更稳定的单空间模式输出[25]。陈忠浩等人采用小锥角（0.3°）设计，结合光子晶体制作锥形MOPA，在高功率下实现了基模输出[26]。
为满足高输出功率的要求，需要提高锥形MOPA的饱和增益功率，最为直接的方法是增加锥形放大器的增益体积。如采用大锥角和长腔的结构，放大器腔长为4 mm的锥形MOPA即可获得10 W的输出功率[27]，然而功率提升的同时也会增加阈值电流，过大的锥形放大器更易引发空间烧孔和光束成丝。此外，导波机制也会对MOPA的输出特性造成影响[28]。
锥形MOPA中另一个不容忽视的问题是出光面的剩余反射。为降低腔面反射，研究者在出光面附近尝试采用倾斜、弯曲等结构[29]。研究表明，非线性的锥形结构也有助于匹配增益与光场分布，减少反射光与入射光的耦合，避免光束成丝效应，进而提高模式稳定性[30]。
传统的锥形MOPA趋于成熟，为提高性能，研究者们将目光转向对锥形放大器的改进，相比与单锥形结构，双锥形结构能够改善光束偏移，改善器件的光束质量[31]。LIU L等人报道的锥形MOPA，就采用了这种双锥形结构，两侧对称设置的锥形放大器，具有边模抑制比高、对腔面相位不敏感等优势，高阶侧模在传输过程中被双锥形放大器不断滤除，实现了基横模输出[32]。如图2（彩图见期刊电子版）所示，2019年，LEI Y X等人采用周期性电注入形成增益导引DFB激光器。他们利用表面电极替代侧向耦合光栅，降低了对高精度光栅制造工艺的要求，适合大规模生产，并通过深刻蚀形成折射率导引以增强对模式的限制，所制作的双锥形结构的MOPA拥有高光束质量，M 2=1.7（1/e2）[33]。
图 2 双锥形激光器结构示意图。（a）平面示意图；（b）立体结构示意图；（c）表面光栅的SEM剖面图；（d）表面光栅的SEM顶视图；（e）周期电注入示意图[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]目前锥形MOPA还面临一些问题，如：增益导引锥形放大器的侧向限制较弱，种子光进入锥形放大器后被衍射，易激发高阶模式；此外，由腔面剩余反射引起的光也会在腔内反馈形成高阶模[34]；不仅如此，由于锥形MOPA出光面的横向尺寸远大于外延方向的尺寸，造成快轴和慢轴发散角差距大，光斑呈扁平的椭圆形，必须经过光束整形才能耦合进其他器件或光纤中。这些问题限制了锥形MOPA的应用。
2.2 脊型MOPA
脊型MOPA由折射率导引的脊型主振荡器和功率放大器构成，如图3所示，其中放大器的脊宽与主振荡器相当，光束质量在腔内传输过程中保持较好。而且由于折射率导引的脊型放大器具有较强的侧模限制，使得输入放大器的种子光能够保持单模输出。
德国FBH研究所的BROX O等人报道了一种弯曲的脊型MOPA。如图4所示，脊型PA在出光面附近有5°弯曲，这种设计有效避免了反射光进入腔内，有效抑制高阶模式，M 2接近1，实现了近高斯光束的基横模输出，然而，由于弯曲结构大幅影响了谐振效应，该器件的功率仅有300 mW[35]。
种子光的质量直接影响脊型MOPA的性能，其除确保放大器仅受单模种子光的激励外，还决定了出射光的形状和发散角。主振荡器的脊宽被认为是种子光的主要影响因素之一，脊宽过大则超出一阶模截止条件，无法限制高阶侧模，而脊宽太小则会导致刻蚀深度较低，从而产生强侧向导引，易激射高阶侧模，这时适当增加脊宽有助于提高功率[36-37]。也有关于双沟脊波导用于MOPA中的报导，在不改变基模的模式增益和损耗的基础上，将高阶侧模泄漏到沟槽中，使得高阶侧模的损耗大幅增加，以提升基模的稳定性[38]。
随后，BROX O等人[39]改进了脊型MOPA，优化DFB光栅以减弱非线性效应，这些措施大幅改善了MOPA的模式特性。他们通过调整脊型PA结构，采用低反射率的增透膜，在保持基横模输出的同时，实现了瓦级的单纵模、高光束质量输出，并且光斑接近圆形，无需光束整形即可耦合到光纤中。
相比锥形MOPA，尽管牺牲了部分增益体积，但获得了更好的侧模限制和模式稳定性。此外，由于脊型MOPA出光面尺寸小，光斑大小与普通半导体激光器相当，无需光束整形，结合大光腔和双沟脊波导等优化结构还能获得近圆形的光斑。因此，脊型MOPA被广泛用于对光束质量和模式特性要求较高的领域。
2.3 布拉格光栅型MOPA
传统的MOPA采用法布里-珀罗（FP)型激光器作为MO，难以实现单纵模，在高速调制下会发生光谱展宽，布拉格光栅型MOPA中采用布拉格光栅形成的DBR (Distributed Bragg Reflector)和DFB (Distributed Feed Back)激光器作为主振荡器。光栅的引入使得MOPA具有纵模选择特性，大幅降低了线宽。图5展示了DFB-MOPA和DBR-MOPA的结构，布拉格光栅集成在MO中，由于光栅外腔的半导体激光器在线宽和波长稳定性等多方面具有优势[40]。
图 5 布拉格光栅型MOPA结构示意图。（a）DBR型；（b）DFB型Figure 5. Structure diagrams of grating-MOPA. (a) DBR; (b) DFB此前，对于布拉格光栅型MOPA的研究集中在掩埋光栅结构方面，由于多段相移和周期调制光栅工艺复杂，因此在MOPA中未获得广泛应用。为解决传统光栅的双模激射和空间烧孔等问题，结合增益耦合机制的表面光栅和侧向耦合光栅的方案具有诸多优势，如无需二次外延、光刻工艺简单，但仍存在光栅反馈弱、功率低等问题，最大功率仅mW量级[41-42]。研究人员尝试将增益耦合、表面或侧向耦合光栅引入MOPA中。2019年，LEI Y X等报道的DFB-MOPA，采用表面周期性电注入形成增益耦合型光栅，表面电极对光刻精度要求低，并且MOPA结构还克服了功率低的问题，获得了瓦级的输出功率，但该设计还需解决载流子易扩散的问题[43]。
由于复合腔效应，DFB-MOPA的动态特性不稳定[44]。相比之下，基于DBR光栅的器件的动态特性更加稳定，还具有滤除高阶侧模的作用，如图6所示。Helal M A等人[45]发现DBR光栅能够抑制光泵效应，脊型主振荡器内的后向波受光栅衍射影响，可滤除高阶侧模。然而DBR-MOPA同样会受到反射光的影响，即使是−40dB的微小反射也会严重影响其动态稳定性[46]。
纵向空间烧孔是光栅型MOPA所面临的主要问题，特别是在大注入电流下，光栅的模式选择特性被严重破坏。这是由于主振荡器和放大器的交界处存在复杂的正向和反向传播场的相位关系变化，导致纵模跳变。适当提高光栅的耦合长度积kL能够降低光反馈的敏感度，从而稳定纵模[48]。
光栅受温度和电流的影响小，因此光栅型MOPA的模式稳定性和温度稳定性好，被广泛用于倍频，如图7所示。2020年，Antti等人[38]制作的DBR-MOPA由DBR光栅锁定波长，减少了温度变化引起的波长漂移，温漂系数仅为0.1 nm/ °C，远低于传统半导体激光器。2022年，Mourikis C等人报道了一种DBR-MOPA，通过算法控制光栅的注入电流实现了锁相，大幅提高了相干合成(CBC)效率[49]。
近年来随着光栅型MOPA的研究不断深入，出现了多种新型光栅结构。其中锥形光栅的MOPA具有较好的侧模抑制、高模式稳定性[51]。2021年，Sumpf B课题组先后报道了两种锥形光栅MOPA，如图8所示，线宽仅为19 pm，随后通过改进光栅，将线宽降至1 pm，是目前所报道的MOPA最小线宽，功率也达到7 W[52-53]。
锥形光栅的加入大幅改善了MOPA的输出特性，为大功率、窄线宽MOPA的优化提供了新方法。2008年，LUCAS-LECLI G等人提出一种基于光栅外腔的MOPA[54]。除了单管结构外，近年还报道了布拉格光栅型MOPA阵列，实现多波长激射和锁相等功能[55-57]。
2.4 三段式MOPA
MOPA通过控制mW量级的主振荡器电流，能够实现高频下输出功率的大范围调节，因此在自由空间光通信和激光雷达等领域具有较大潜力。传统的MOPA通常由MO和PA两部分组成，主要通过增加调整电流进行直接调制。该调制方式会影响器件的输出特性和光束质量。为提高调制性能并降低对器件的影响，出现了三段式MOPA，如图9（彩图见期刊电子版）所示，在主振荡器和放大器之间加入预放大器或调制器。该设计通过上述结构可对MOPA进行独立调制。同时，科研人员建立了三段式MOPA的电学模型，如图10所示[58-59]。
2020年，Zink C等人报道了一种三段式MOPA，通过调整控制器CON的电流注入，改变种子光的功率和相位等，调整器件整体输出功率、线宽和光束质量，获得的功率高达9.6 W。不仅如此，他们还采用了锥形光栅和倾斜锥形放大器结构。这些设计加强了侧模限制，因此光束质量也较高(M2=1.5)[29]。
康宁公司的Li J等人报道了一种可调谐三段式MOPA，该MOPA包括放大器、控制器和DBR振荡器，它们均为脊型侧向限制。MOPA中集成了微加热器，通过控制微加热器的温度，改变DBR光栅的折射率，从而在较宽范围内改变波长，通过调节控制器的电流，可以更为精细地调谐波长[61]。
可调谐激光器是光通信的关键器件，基于三段式MOPA的调谐功能也被广泛研究，目前已报道了DBR、DFB和外腔等多种可调谐MOPA，涵盖了温度调谐、电流调谐等机制[61-66]。半导体激光器是最主要的混沌激光光源，近年来基于三段式MOPA产生混沌激光的方式也受到关注[67-68]。
MOPA中具有代表性的光放大器结构为锥形和脊型，由此形成了锥形MOPA和脊型MOPA。DFB和DBR光栅也被用于MOPA中，起着纵模选择、稳定模式、侧模滤除等作用，除传统的主振荡器和功率放大器构成的两段结构外，还出现了三段式MOPA。表1中总结了MOPA的主流结构和特征及面临的问题。
表 1 MOPA的主流结构和其特征及其面临的问题Table 1. Structures, characteristics and problems of main MOPAsMOPA类型 结构特征 性能特征 存在的问题 锥形MOPA 锥形放大器 输出功率高 整形耦合难度大 脊型MOPA 脊型放大器 光束质量高 输出功率低 DBR-MOPA DBR光栅 窄线宽、输出功率高 光栅工艺复杂 DFB-MOPA DFB光栅 窄线宽、光束质量高 光栅工艺复杂 三段式MOPA 集成控制器 可调谐、多用途 电流控制难度大 3. MOPA的优化设计
高功率下光束质量急剧恶化这一问题始终制约着MOPA的发展，MOPA中影响光束质量的因素包括光泵、电泵、空间烧孔、光束成丝、载流子透镜和热透镜效应等[69-70]。研究人员建立了MOPA的电光仿真模型，以深入理解影响非线性效应的各种因素[71-73]。为解决上述问题，近年来在外延结构、腔面增透膜和电极等优化设计方面有较大的进展。
3.1 外延层优化
外延结构直接影响MOPA的光束质量和功率，近年来有关研究主要集中在有源区和波导层的设计优化，其关键是通过有源区优化，提高内量子效率、降低内损耗等。为在大电流下保持内量子效率和内损耗稳定，通过降低P型波导层厚度并对其进行重掺杂，降低串联电阻和热阻。
MOPA的有源区主要为应变量子阱，此外还有量子点和量子级联[74-75]。通过优化应变类型和应变量，在保持载流子限制的基础上，减少非辐射复合，提高内量子效率，应变同样会影响使用寿命[76]。为降低内损耗，需要控制量子阱数目，低限制因子的MOPA功率依然能达到瓦级[77]。适当增加量子阱数目，也可以提高功率，相比与单量子阱的MOPA，双量子阱器件的功率提升近40%[78]。
MOPA波导层优化方面，大光腔（LOC）和非对称结构被广泛应用，通过增加波导层厚度，降低结温和光功率密度、提高光模体积、提高输出功率，并降低垂直发散角从而实现MOPA波导层优化。Dittmar F等人报道的具有大光腔的锥形激光器，功率超过16 W，这是已有报道中单管MOPA的最高功率[79]。大光腔的主要问题有横向模限制弱，容易激发高阶横模等，需要严格限制波导厚度。
由于光在N型介质中损耗较低，非对称波导通过增加N型波导层厚度，使光场偏离P型区并降低内部损耗，非对称波导还有助于提高MOPA的光束质量[80]。Tijero J M G等人证明非对称波导可以使光子和载流子分布更均匀，减缓非线性效应，且不会影响输出特性，75% N型区占比的器件亮度提高了3倍[81]。因此，由非对称波导和大光腔结合形成的非对称超大光腔(ASLOC)能够有效提高MOPA的功率，被广泛应用于MOPA中。
光子晶体被证明可以提高MOPA的光束质量，通过周期性生长高低折射率材料，形成一维光子晶体，高阶模式在光子晶体中不断损耗，除基模外全部滤除，并大幅降低垂直发散角[82-83]。2018年，马晓龙等人报道了一种980 nm基横模锥形激光器，由9周期高低折射率AlGaAs组成光子晶体层，有效滤除高阶横模，并具有高模式稳定性，M 2小于2，垂直发散角也仅有11°[84]。
随后，Zhou X Y等人于2019年通过优化光子晶体，提升MOPA的输出特性，获得的M 2<1.5（1/e2）[85]。此外，二维光子晶体也被引入MOPA中，用于限制侧模。2017年，Li Y等人在脊波导两侧制作光子晶体，使得高阶横模泄漏到光子晶体中被损耗，而基模仍在脊波导中传播，增益和损耗不受影响，侧向光子晶体有效滤除高阶横模，大幅提高了光束质量，所制备的锥形激光器的M 2仅为1.9，功率更是接近7 W[86]。
3.2 腔面光学薄膜优化
为避免光反射对MOPA产生影响，近年来提出了多种创新结构，如八字抗反射槽和非吸收窗口等，而增透型腔面光学薄膜则是抑制光反射的主要方法[87-88]。前腔面镀增透膜能够显著降低反射率，采用高低折射率如氧化硅和氮化硅等材料组成周期性膜层，并通过合理的膜系设计和镀膜工艺可以获得增透膜，结合腔面钝化还有助于提高COD阈值[89-90]。因此，制备低反射率的增透膜成为MOPA的关键。尽管理论上可以获得接近全透光的薄膜，然而由于工艺和材料等问题，实际上很难制备出反射率低于0.01%的增透膜。
虽然增透膜的使用大幅削弱了反射光，但腔面的剩余反射仍会使一部分光反射回腔内，并在脊波导两侧无源区内反复振荡，形成高阶模。特别是在大电流注入的情况下，会形成耦合腔模式，导致近场光斑出现旁瓣，远场出现多旁瓣，造成动态模式的不稳定，最终导致光束质量下降[23]。通过研究不同反射率下MOPA的光子和载流子密度的关系，发现随着前腔面反射率的降低，腔内的空间烧孔和多旁瓣现象得到抑制。
传统的MOPA中，后腔面通常采用高反膜或DBR光栅增强反射，以提高功率并降低阈值电流。为避免非线性效应的影响，在后腔面镀增透膜，可有效降低反射光的影响，进而抑制FP模式和耦合腔模式，最终提高MOPA的模式稳定性和光束质量。FIEBIG C等人将后腔面反射率从98%降至5%，光束质量得到大幅提高，M 2从5.5降到3.5[91]。SUMPF B和MÜ LLER A通过进一步降低后腔面反射率，有效抑制了主振荡器的光泵效应，所制作的锥形激光器中M2小于2[92-94]
3.3 电极优化
传统的锥形激光器为共面电极，振荡器的注入电流为mA量级，共面电极的MOPA中的绝大部分电流注入到放大器中，对功率进行调制需要大幅调整电流。分离电极的设计初衷是为提高MOPA的输出和调制特性。如图11所示，将振荡器和放大器的电极分开，通过电流分区注入，独立控制各区的电流，这样仅需要小幅调整注入振荡器的电流，即可大范围地调节MOPA输出功率[95]。
Ma X Y课题组对分离电极的锥形激光器做了大量研究，该组的李璟等人采用分离电极设计，将锥形激光器的M 2从3.79降至2.45[96]。2021年，该组的曼玉选等人研究了各电极的电流对光束质量和光斑的影响，通过优化注入电流，结合电极制作工艺的改进，进一步提高了光束质量，将M 2降至1.66[97]。
通过精确地控制各电极的电流，有助于减弱非线性效应。相较于共面电极MOPA，在不改变器件结构的基础上，光束质量得到显著提高[98]，这为改善大功率MOPA的光束质量提供了新的途径。基于分离电极，MOPA的调制也成为研究热点，文献[71]通过直接调制MO电流，在2 W的高功率下实现了33 W/A的调制效率。但是还需要解决电流串扰问题，特别是在极小的封装管壳内。
4. 不同性能特征的MOPA
4.1 高功率MOPA
为满足泵浦、材料加工、自由空间光通信等领域的需求，高功率MOPA被广泛研究。随着外延结构和腔面镀膜等方面研究的深入，ASLOC (Asymmetric Supper Large Optical Carity)被大量应用，旨在提升耦合精度和散热效率的封装技术不断出现。MOPA的功率获得大幅提升，目前高功率MOPA的研究集中在1 μm波段，连续输出(CW)功率超过10 W。除单管MOPA的功率不断提升外，MOPA阵列经过合束后可获得50 W以上，甚至百瓦级的功率[99-100]，表2列出了近年来大功率MOPA的研究成果。
表 2 大功率MOPA研究进展Table 2. Progress of high-power MOPA4.2 窄线宽MOPA
随着光通信的发展，对窄线宽光源的需求不断增加。窄线宽和动态单模最有效的实现方式是依托布拉格光栅选择纵模，然而内置光栅型激光器功率仅mW量级[29]。为同时满足线宽和功率的要求，形成布拉格光栅型MOPA，光栅的引入极大地压缩了线宽，最近报道的光栅型MOPA的功率接近5 W，线宽从nm量级降低到pm量级[104]。表3列出了20 pm以下MOPA的研究进展。
表 3 窄线宽MOPA的研究进展Table 3. Progress of MOPAs with a narrow linewidth4.3 高光束质量MOPA
为实现高光束质量，主要关注外延结构、侧模限制和光学薄膜的优化设计，以抑制非线性效应，此外，还引入了光子晶体和分离电极等。高光束质量MOPA 在气体检测、泵浦和倍频等领域具有重要价值，界面处的光束扰流器被证实能够提高基模稳定性[106]。为实现基横模输出，包括电流非注入区和一维光子晶体等，近年来限制侧模的方案被不断提出[86, 107]，表4列出了近年高光束质量MOPA的报道。
表 4 高光束质量MOPA研究进展Table 4. Progress of MOPAs with high beam qualityYear λ/nm M 2/1/e2 Key feature Refs. 2010 1064 1.3 DFB ASLOC Embed [101] 2011 660 1.5 TPL DQW [108] 2016 1030 1.2 ASLOC 3thDBR AR/AR [51] 2017 1030 1.1 TQW ASLOC 7thDBR [105] 2017 1030 1.2 ASLOC 7thDBR AR/AR [93] 2018 980 <2 TPL PBC [84] 2019 980 1.5 TPL PBC narrow angle [26] 2019 1060 1.1 ASLOC 7thDBR [109] 2019 996 1.64 44thDFB ASLOC DQW [43] 2019 980 1.7 44thDFB ASLOC DQW [33] 2021 975 1.66 TPL [97] 2021 1550 1.26 TPL noval package [110] 4.4 高亮度MOPA
在半导体激光器的许多应用领域内，如泵浦、激光武器和机械加工等，要求光束具有较高亮度。MOPA被认为是实现高亮度的主要途径之一，实现高亮度需要同时改善光束质量和功率。目前高亮度MOPA已覆盖可见光到近红外波段[111]，最高亮度已达到
$1\;{{\rm{GW}}} \cdot {{\rm{cm}}}^{-2} \cdot {\rm{sr}}^{-1} $ [112]。表5中列出了部分高亮度MOPA的报道。表 5 高亮度MOPA研究进展Table 5. Progress of MOPAs with high-brightnessYear λ/nm Brightness/MWcm−2sr−1 Key feature Refs. 2010 980 155(matrix) ASLOC TPL [91] 2011 1 060 860(1/e2) TPL HR/AR [102] 2016 1030 770(1/e2) TQW ASLOC [51] 2017 1030 700(1/e2) TQW ASLOC [93] 2017 1030 170(matrix) DFB special structure [94] 2018 980 85.3(matrix) PHC TPL [84] 2019 980 126.8(matrix) PHC narrow angle [85] 2021 975 369(1/e2) TPL [97] 5. 结 论
经过30年的发展，单片集成式MOPA的研究不断深入。形成多种类型的MOPA，其中锥形MOPA（TPL）实现了近衍射极限的高功率输出，其因优异的性能获得广泛关注，成为商用MOPA产品的主流结构。而脊型MOPA弥补了锥形MOPA存在的多侧模和光束整形耦合难度大等缺陷。可以预计，随着研究的深入，集成了布拉格光栅，锥形和脊型MOPA的性能将得到进一步提升，新型的三段式结构也拓展了MOPA的应用领域。针对MOPA普遍面临的高功率下光束质量退化等问题，相继涌现诸多解决方案，近年来在外延层、腔面光学薄膜分离电极等方面取得了较多突破，器件结构和工艺的进步支撑了MOPA的发展。
针对多种应用领域形成具有不同性能特征的MOPA，包括高功率、窄线宽、高光束质量和高亮度。未来，MOPA的发展趋势是实现更高性能，尤其是同时具备多种性能特征，以满足多领域的需求。相关产品也已上市，随着更多研究成果逐步得到应用，可以预计，商用MOPA的功率将提升至10 W以上，而线宽也将低于200 kHz，光束质量也将保持在较高的水平，并接近基模高斯光束。
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图 1 锥形MOPA结构示意图。（a）立体结构；（b）平面结构
Figure 1. (a) Three-dimensional structure and (b) planar structure of a tapered-MOPA
图 2 双锥形激光器结构示意图。（a）平面示意图；（b）立体结构示意图；（c）表面光栅的SEM剖面图；（d）表面光栅的SEM顶视图；（e）周期电注入示意图[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]
图 5 布拉格光栅型MOPA结构示意图。（a）DBR型；（b）DFB型
Figure 5. Structure diagrams of grating-MOPA. (a) DBR; (b) DFB
表 1 MOPA的主流结构和其特征及其面临的问题
Table 1. Structures, characteristics and problems of main MOPAs
MOPA类型 结构特征 性能特征 存在的问题 锥形MOPA 锥形放大器 输出功率高 整形耦合难度大 脊型MOPA 脊型放大器 光束质量高 输出功率低 DBR-MOPA DBR光栅 窄线宽、输出功率高 光栅工艺复杂 DFB-MOPA DFB光栅 窄线宽、光束质量高 光栅工艺复杂 三段式MOPA 集成控制器 可调谐、多用途 电流控制难度大 
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表 4 高光束质量MOPA研究进展
Table 4. Progress of MOPAs with high beam quality
Year λ/nm M 2/1/e2 Key feature Refs. 2010 1064 1.3 DFB ASLOC Embed [101] 2011 660 1.5 TPL DQW [108] 2016 1030 1.2 ASLOC 3thDBR AR/AR [51] 2017 1030 1.1 TQW ASLOC 7thDBR [105] 2017 1030 1.2 ASLOC 7thDBR AR/AR [93] 2018 980 <2 TPL PBC [84] 2019 980 1.5 TPL PBC narrow angle [26] 2019 1060 1.1 ASLOC 7thDBR [109] 2019 996 1.64 44thDFB ASLOC DQW [43] 2019 980 1.7 44thDFB ASLOC DQW [33] 2021 975 1.66 TPL [97] 2021 1550 1.26 TPL noval package [110]
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表 5 高亮度MOPA研究进展
Table 5. Progress of MOPAs with high-brightness
Year λ/nm Brightness/MWcm−2sr−1 Key feature Refs. 2010 980 155(matrix) ASLOC TPL [91] 2011 1 060 860(1/e2) TPL HR/AR [102] 2016 1030 770(1/e2) TQW ASLOC [51] 2017 1030 700(1/e2) TQW ASLOC [93] 2017 1030 170(matrix) DFB special structure [94] 2018 980 85.3(matrix) PHC TPL [84] 2019 980 126.8(matrix) PHC narrow angle [85] 2021 975 369(1/e2) TPL [97]
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