基于半导体超表面与垂直腔面发射激光器的单片集成光源

To satisfy the new requirements of multidimensional multiplexing technology in optical communication and optical interconnection for optical sources, and to solve the polarization instability and multi-transverse mode of vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), we propose a novel monolithic optical source by integrating a semiconductor metasurface with a VCSEL..Compared with common metasurfaces using metals as optical resonators, semiconductor metasurfaces have advantages of low optical absorption loss, controllable properties, and easy integration with semiconductor optoelectronic devices. Basing on the fact that metasurfaces are able to manipunate and change the phase，polarization state and optical field distribution of an optical wave within a subwavelength scale, we propose a novel optical source by integrating a semiconductor metasurface with a VCSEL in the same semiconductor substrate. .Through the theoretical modelling, design and fabrication, investigation of steady-state and modulation performance of the monolithic optical source, we hope to realize the following goals setp by step: ① A monolithic optical source with polarization stability and single transverse mode is obtained. ② We will try to make the monolithic optical source carry out beam-splitting, polarization-beam-splitting, hence being able to serve as the optical sources in space-division multiplexing，polarization-division multiplexing. ③ By tuning the electromagnetic properties of the semiconductor metasurface under an external optical signal beam, we hope the monolithic optical source to perform high-performance all-optical wavelength conversion. .This program is helpful to the developments of semiconductor metasurface, optical communication and photonic integration; it is also of positive significance to fill the gap in the monolithic integration of semiconductor metasurface with laser diode.

针对多维复用光通信、光互联发展对光源的新要求以及垂直腔面发射激光器(VCSEL)存在的偏振不稳定和多横模问题，提出半导体超表面与VCSEL单片集成的新方法。.相比于通常采用金属作为光学共振体的超表面，半导体超表面具有低损耗、性能可调控、易与半导体器件单片集成的优势。课题利用超表面在亚波长厚度就能有效操纵改变光波相位、偏振以及光场分布的能力，将半导体超表面与VCSEL单片集成。围绕集成光源的理论建模、设计制作、稳态和调制特性展开研究，分层次、有步骤地实现以下目标：①获得具有偏振稳定、单横模的单片集成光源。②进一步探索开发出具有光束分束、偏振分束功能的集成光源，以满足空分复用和偏振复用对光源的要求。③利用半导体超表面电磁响应的可调控性，探索集成光源实现高性能全光波长转换的方案。.课题的开展对于促进半导体超表面、光通信和光子集成的发展、填补半导体超表面与激光器单片集成的国内外空白均有积极意义。

随着互联网和多媒体业务的迅猛发展，光通信需要充分利用电磁波的频率、相位、偏振、幅度、时间与空间分布等属性，采用时分复用、波分复用、偏振复用、空分复用、模分复用技术以及幅度调制、相位调制、偏振调制在内的多种调制方式。如何研制出更好满足上述要求的光源成为日益重要的课题。我们利用超表面在亚波长厚度就能有效操纵改变光波相位、偏振以及光场分布的能力，将半导体超表面引入到垂直腔面发射激光器(VCSEL)中进行集成。围绕课题目标，我们将研究重点集中在超表面对电磁波的调控规律，进行了工作机理、设计制作、稳态和动态调制特性的理论和实验研究，通过理论、仿真与实验相结合的手段，揭示了超表面操纵控制出射光相位、偏振、光谱和模式特性的基本规律。在工作机理上，建立了互补耦合惠更斯超表面、C4对称手性超材料、多聚体半导体超表面的电磁响应及相互作用的理论模型，采用等效电路模型、电磁多极矩分解方法、耦合谐振子模型、琼斯矩阵等方法进行了理论研究。采用电子束蒸镀、电子束曝光、飞秒激光熔化、感应耦合等离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等手段进行了工艺制备。在稳态特性方面，针对光分束与聚焦、偏振分束与转换、偏振调控和波长选择进行了理论研究和实验验证；还进行了类电磁诱导透明、不对称光透射的理论和实验研究。在动态调制方面，围绕偏振调控、电光开关、波长转换、直接电调控的半导体超表面进行了理论仿真和实验研究；掌握了相位调制、偏振调制、振幅调制的基本规律。此外，我们还针对可与VCSEL集成的具有光学隔离功能的半导体超表面、超表面辐射制冷器与VCSEL激光器的集成进行了探索研究。课题的实施为推动超表面在半导体集成光源、光通信、光子集成中的应用打下基础。发表SCI期刊论文 15 篇，申请和授权国家发明专利3项。培养博士和硕士研究生12人。