国际半导体行业著名杂志《Semiconductor Today》报道本团队PCSEL研究新进展

    2024年2月，本团队在光子晶体面发射激光器（PCSEL）研究领域取得重要进展，提出三晶格结构并实现低阈值1550 nm PCSEL，相关成果发表在Light: Science and Application vol.13，44，2024，国际半导体行业著名刊物《Semiconductor Today》以“Triple-lattice photonic crystal laser”为题对该成果进行了News Features（新闻特写）报道。《Semiconductor Today》指出：“ 1.55微米范围的光通过光纤传输损耗最小，且具有人眼安全功率高优点。然而，传统的激光器在这个范围内具有很高的带间吸收，因而性能较差。PCSEL 结构可以提供强大的光反馈来克服这个问题，降低阈值，提高输出功率。

    《Semiconductor Today》总部位于英国，是国际半导体行业著名杂志，专注于报道国际半导体领域的重要研究进展和最新行业动态，具有很强的行业影响力。

Semiconductor Today 报道截图

    PCSEL指的是以二维光子晶体作为谐振腔，并依靠带边模式的衍射作用实现面发射激光输出。由于这些模式通常具有较大的模场面积，因此PCSEL相较于目前通信领域常用的半导体激光器，如垂直腔面发射激光器（VCSEL）和分布反馈激光器而言，具有更小的远场发散角。此外，由于PCSEL是通过二维光子晶体的横向反馈作用来形成谐振腔，因此无需像VCSEL那样外延数十对的DBR来实现垂直方向上的光反馈。这些特性使得PCSEL的性能和成本非常有竞争力。

    然而，PCSEL还有一些待解决的问题，其中就包括大的器件尺寸和高的阈值电流。大的阈值电流将抬高器件的能耗，同时也不利于增加器件调制速率。这一限制是源自于二维光子晶体腔的分布反馈机制，要求它有大的晶格周期数来提供足够强的光反馈。这就给缩小腔尺寸、降低器件阈值带来了挑战。

    在光子晶体激光器中，腔体尺寸越小，能量就越容易泄露出去，也就是谐振模式的光学损耗就上升得越快。而在各类谐振腔设计中，三晶格光子晶体结构展现出独特优势，它在相同的谐振腔尺寸下，具有最低的光学损耗。在该工作中，本团队首次提出用三晶格光子晶体这种结构来增强PCSEL谐振腔内的光反馈，并在其基础上制备了工作在1.55 μm波段的InP基连续电泵浦PCSEL，为缩小光子晶体腔尺寸、降低器件阈值提供了新途径，未来将在高速光通信、激光雷达等应用领域有着重要作用。

不同光子晶体腔的模式损耗 图源：Light Science & Applications

    如果我们将每个晶胞内仅具有一个孔的光子晶体称为单晶格光子晶体，那么这种三晶格光子晶体腔可视为三个单晶格光子晶体在结构上的嵌套叠加。通过调整嵌套晶格之间的相互间距，可以实现单晶格光子晶体难以达到的效果。比如，本报道中我们将晶格间距设置为波长的0.5倍，使得嵌套晶格的反馈光往返为波长的整数倍，从而实现相长干涉的效果。从耦合波理论的角度来分析，光子晶体腔的光反馈强度主要决定于180°反向传输波间的耦合作用，而其大小又受影响于折射率分布的二阶傅里叶系数。根据这一思想，我们研究了其与晶格间距间的函数关系。可以看出，相较于单晶格光子晶体，它最大可以实现180°光学反馈的三倍叠加，从而抑制了水平方向上的能量泄露，为缩小腔尺寸、降低阈值提供了有效手段。

三晶格光子晶体腔的工作机制 图源：Light Science & Applications

    该器件采用和传统DFB工艺兼容的全半导体结构，基于MOCVD二次外延技术进行制备。首先在InP衬底上生长包括多量子阱有源区在内的外延层，然后利用电子束光刻和干法刻蚀技术在外延层上制备出特征尺寸在百纳米的光子晶体孔图案，随后通过二次外延填充孔洞并覆盖p型掺杂材料层，并完成器件制备。

1550nm三晶格PCSEL器件结构 图源：Light Science & Applications

    作为PCSEL的核心工作特性之一，连续波条件下器件在1.55μm波长处表现出稳定的激射峰，与理论设计的Γ₂点带边模式完全吻合。值得注意的是，即便在宽光谱扫描范围内（1350-1650nm），也未观察到其他寄生谐振峰，这证实了该三晶格光子晶体结构成功将振荡模式锁定在目标波段。

1550nm三晶格PCSEL工作特性 图源：Light Science & Applications

    PCSEL作为目前半导体激光器领域所关注的重要研究方向，可广泛应用于通信传输、激光泵浦、光学传感、医疗设备等多个技术领域。然而，受限于大的器件尺寸和高的阈值电流，当前PCSEL尚不能满足高速光通信等领域的实际应用需求。在该工作中，本团队提出了新型的三晶格光子晶体谐振腔，并基于该结构制备了1.55 μm波段连续电泵浦PCSEL。我们相信，该成果将为获得更小尺寸、更低阈值的PCSEL开创新的思路，未来有望实现在高速光通信等领域的应用。同时，这还有助于深化对光子晶体谐振腔反馈机理的理解，并为其设计提供新的维度。