甲烷是重要的工业原料和日常生活用气，具有易燃易爆的特性，实时监测甲烷的产生和泄露对工农业生产和日常生活有着极其重要的意义。现有多种分析检测技术可用于甲烷气体的检测，如红外光谱技术、气相色谱法、电化学传感器等。红外光谱技术中可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术利用了半导体激光器的窄线宽和波长可调谐的特点可实现对气体分子的单个或多个距离很近的吸收线的测量。当激光波长与气体分子的吸收线中心频率相同时，气体分子会吸收光子跃迁到高能级，与此同时激光能量衰减，对比发生吸收前后激光能量的变化，可实现对甲烷气体的探测。而且该技术具有免接触、精度高、灵敏度高、响应速度快等优点，也可实现对甲烷气体浓度的远距离实时监测。考虑到甲烷气体分子在1.65 μm波段附近的吸收线，受大气环境中二氧化碳和水分子的影响小，传输损耗低，更适合实现在大气条件下的远距离探测。而且1.65 μm波段的激光器对工作温度的要求较低，这在一定程度上降低了探测设备的复杂度。此外，1.65 μm波段相关的光学器件和技术也较为成熟。该团队通过调整激光器 FP 腔的注入电流实现了激射波长在2 nm范围内的连续移动，覆盖了甲烷气体在1653.72 nm处的吸收线。同时，改变工作温度或正方形微腔的注入电流也可以实现激射波长的连续可调。在这个过程中，激光器保持单模激射不发生模式跳变，边模抑制比约为40 dB，激光线宽约为5 MHz，输出光功率可达7.4 mW，如图1所示。图1 （a）正方形 - FP 耦合腔激光器的显微镜图像。（b）正方形微腔注入电流为 20 mA时不同 FP 腔注入电流下的激光光谱和边模抑制比
该工作展现了正方形-FP耦合腔激光器在气体探测领域的应用前景。其作为甲烷气体检测的高性能激光光源，具有输出波长稳定、边模抑制比高、线宽窄、功耗低、体积小、结构简单等优点，其边发射的特点也有利于与其他器件的集成。在制备方面，该激光器采用简单的半导体平面光刻工艺，免去了材料二次外延的过程，也避免了高精度光栅的制备。未来，该团队将针对其他气体分子吸收线的波段优化耦合腔的结构参数，调整中心波长，以实现该装置对不同气体的探测。或将利用多通道耦合腔激光器阵列的结构，来实现覆盖多种气体的吸收线，以满足多气体检测的需求场景。中国科学院半导体研究所黄永箴研究员领衔的集成光电子学（国家重点实验室）研究团队近年来围绕回音壁模式多边形微腔和耦合腔激光器，以模式调控和激光器非线性动力学过程研究为主线，开展微腔激光器及其集成和应用研究。研制出了可控单模/双模微腔激光器、波长可调谐耦合腔激光器和自发混沌微腔激光器等器件，并基于双模激光器实现了倍频程光频梳。团队先后主持了国家自然科学基金重大仪器项目和重点项目、国家重点研发计划等项目。