基于模式调控的低能耗高开关速度双稳态半导体微腔激光器研究

The development of high-speed low-energy-consumption optical information technology has become a necessary way to support the further progress of information technology. All-optical flip-flops (AOFFs) are widely used in optical logic and information processing as memory elements. Semiconductor bistable lasers have attracted great attention as a reliable solution for AOFFs, but their performances do not meet the requirement of photonic integration circuits until now. Whispering-gallery mode (WGM) microcavities have the advantages of small mode-volume, high quality-factor and suitability for plane integration. Thus we propose low-energy-consumption and high-speed switching bistable semiconductor lasers based on the WGM microcavities. We will study the mode characteristics of the WGMs in the optical microcavity, design the bistable semiconductor microcavity laser structures to control the bistable output state, fabricate the controllable bistable semiconductor microcavity lasers, and test the device performance for AOFF application. By solving the key problems of efficient control of mode fields, and dynamical control of competition bistable states in the semiconductor microcavities, we will develop room-temperature continuous wave bistable semiconductor microcavity lasers with simple structures suitable for integration. We will realize the AOFF operation with switching time < 10 ps, and switching energy < 1 fJ based on the bistable semiconductor microcavity lasers, lay the foundation of the application of AOFFs in high-speed and low-energy-consumption photonic integration.

发展高速低能耗的光信息技术，已经成为信息技术继续推进的必行之路。具有记忆功能的全光触发器，在光逻辑和信息处理中有广泛的应用。作为实现全光触发器的可靠解决方案，双稳态半导体激光器已经引起了人们的重视，但其目前的性能仍难以满足光子集成的需求。本项目将基于回音壁光学微腔的小模式体积、高品质因子和适合平面集成等优点，研究低能耗高开关速度的双稳态半导体微腔激光器；主要研究光学微腔中的模式特性、双稳态半导体微腔激光器的结构设计、双稳态输出状态的控制方法、可控双稳态半导体微腔激光器的制备及其在全光触发应用中的性能测试分析；通过解决半导体微腔中的模式光场调控和光注入对模式竞争双稳态的动态控制等关键问题，研制出结构简单、适于集成的室温连续电注入工作双稳态半导体微腔激光器，实现光触发工作，开关时间<10ps，开关能量<1fJ；为将基于双稳态半导体微腔激光器的全光触发器应用于高速低能耗光子集成奠定基础。

本项目瞄准全光信息处理技术发展所需的光缓存器件，利用回音壁模式光学微腔小体积、高品因子的特点，通过模式调控开展应用于光触发器的低能耗、高速率双稳态半导体微腔激光器的机理及原型器件研究。主要研究内容包括：回音壁微腔和耦合腔结构中的模式特性、半导体激光器的动力学行为分析及建模仿真、半导体微腔激光器的谐振腔和电注入结构设计、半导体激光器的微纳加工工艺、激光器的动态性能测试及全光触发应用等。取得的主要成果如下：提出利用回音壁微腔-法布里珀罗耦合腔结构调控激光器中的模式，结合模式耦合理论和数值模拟仿真深入分析了其中的模式特性，证明了耦合腔可以实现高效率输出并为模式调控提供了新的自由度，用来指导激光器结构的设计；建立双区多模速率方程分析耦合腔中激光动力学过程，研究谐振腔和注入参数等对激光器动态行为的影响，优化谐振腔和电注入结构等；开发基于平面耦合腔激光器的半导体微纳加工工艺技术，制备出满足设计要求的双稳态耦合腔半导体激光器；对耦合腔半导体激光器的静态输出和动态行为等进行了深入的测试和分析，发现了耦合腔半导体激光器存在两个双稳态区间，并对其进行了深入研究，结果表明基于模式竞争的双稳态可以通过外部光实现激光输出的动态控制，对其作为光触发器的应用进行了原理验证。本项目为基于双稳态半导体微腔激光器的全光触发器在光子集成等方面的应用奠定基础，并在双稳态激光器及其全光触发器应用等方面取得一系列具有自主知识产权的研究成果，共发表SCI检索论文21篇，申请发明专利3项，协助培养研究生6名，项目负责人获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金的资助。