基于MIS电容的电光调制半导体回音壁微腔激光器的研究

本项目首先采用时阈有限差分方法和基于Baker算法的padé近似频谱处理方法，研究由金属-绝缘介质限制的端口输出回音壁模微腔的模式特性和输出特性。基于理论研究的结果，优化设计半导体微腔激光器的结构，分离侧面金属限制区与p-型电注入区，融激光器与电光调制性能于一体。然后采用普通的半导体平面制作工艺，如标准光刻和感应耦合等子体干法刻蚀等技术，开展基于金属-绝缘层-半导体（MIS）电容的电光调制半导体回音壁模微腔激光器的实验研究。同时对激光器的模式谐振机理和电光调制机理进行细致的分析，特别是有关MIS电容调制电压对器件激射波长和输出光功率的影响，为实验结果提供合理的理论解释。通过此项目的开展，研制电光调制的半导体微腔激光器，对光电集成中的微光源或信号源的实现和灵活应用具有重要意义。

由于微腔激光器具有体积小，阈值低，能量损耗小的特点，半导体微光源器件将成为未来集成光电芯片中不可或缺的核心器件，其主要作用是作为光信号载体参与整个芯片的信息处理。该资助项目针对一种金属-绝缘层-半导体（MIS）电容调制的半导体微腔激光器的设计和应用问题，深入探索MI限制的光学微激光器的模式特性和耦合输出特性，提出了宽波导输出、低辐射损耗的光学波导耦合输出方案，研究了三维器件的结构参数对模式损耗和增益阈值影响，及对薄层金属限制的有源激光器的光学传感应用进行了初步探索，为激光器在集成光子回路和光学传感应用提供了理论和实验基础。该项目取得如下主要研究成果：1）基于单光源器件驱动多无源器件的信号处理模块设想，在理论上系统地研究了单回音壁模微盘的平面多通道耦合辐射输出，包括二至四端口的光学微激光器。研究发现，引入对称的耦合波导能够有效的滤除部分光学谐振模式，为激光器的单模激射创造良好的模式谐振条件。2）基于微腔耦合理论，我们提出波导间接耦合的双和四回音壁谐振腔结构，同进引入MI光学限制介质，实现双和四端口辐射的光学谐振腔。研究发现圆形谐振腔的直接耦合在厚绝缘层情况下导致模式分裂，同时对于波导间接耦合的谐振腔，MI限制的波导能够直接控制模式对称态与反对称态的耦合输出，从而在理论上解决了宽波导输出，高Q值谐振的问题。3）基于近距离耦合的概念，MI限制的圆形谐振腔的长距离波导耦合也得到相关的研究，在确定波导宽度和长度下，基模振荡能够发生。4）基于光波导理论，我们研究了三维MI限制的光学微激光器。通过调制绝缘介质的厚度，我们能够调节谐振模式电场的空间位置变化，从而实现增强与弱化增益介质与量子化的电磁场之间的光学耦合作用，深入分析基于MIS的微激光器的光学特性，探索不同条件下其光学谐振机理，为优化微激光器的性能提供参考。除上述之外，我们开展了有源微激光器光学传感研究，分析了激光器随腔外材料折射率的变化对激光器谐振波长和增益阈值的影响，推进激光器的研究范围。项目研究期间，发表SCI收录科研论文7篇，Opt. Express 2篇，Appl. Opt. 2篇，Opt. Comm. 1篇，Chin. Opt. Lett. 1篇，ICTON国际会议1篇，授权发明专利1项。培养硕士生3人，辅助培养2名博士生。