三维亚波长尺度纳谐振腔激光器研究

With the development of photonic integrated circuits, the reductions of optoelectronic device size and power consumption are more important and nano lasers are the key components for photonic integrated circuits. This project adopts metals for the optical field confinement within subwavelength-scale resonators. The main researches include the enhancement of cavity-mode field distribution and mode Q factor for nano cavities due to the metal confinement and surface plasmon polariton (SPP), the effect of metal and dielectric layers on the optical mode and SPP mode, the matching of resonant cavity modes and the active medium gain peak, mode loss control and reducing the threshold gain, and the study of nano lasers' directional output. Accordingly we can master the core technology of nano-optical field constraints, nano-optical field transformation and obtain subwavelength-scale prototype nanolasers at room temperature. By strengthening the interaction of light with a specific nanostructure, the enhancement of stimulated amplification in the subwavelength-space based on the metal reflection and nanostructures local confinement will lay a scientific foundation for the realization of nano-scale optical emission and optical transmission.

光子集成规模的提高对光子器件体积和功耗提出了非常高的要求，纳谐振腔激光器是光子集成发展所亟需解决的关键元器件。本项目金属对亚波长尺度谐振腔内光场进行限制，研究金属限制和表面等离子激元（SPP）对光学纳谐振腔模场分布和模式Q值的增强，金属层和绝缘层对光学模式和SPP模式特性的影响，纳谐振腔模式峰与半导体有源材料增益峰的匹配，模式损耗控制以降低增益阈值，以及探讨纳腔激光器的定向输出。掌握实现纳腔光场约束、纳腔光场变换等核心技术，实现室温下工作的金属限制亚波长尺度纳谐振腔激光光源的原型器件。利用光与特定纳谐振结构的强化相互作用，通过金属的反射和纳腔结构的空间定域，实现亚波长空间受激放大的增强效应，为实现纳米尺度光发射、光传输等基本信息功能奠定科学基础。

本项目针对光子集成回路对光子器件体积和功耗的需求，开展了波长尺度和亚波长尺度纳谐振腔激光器研究。项目研究了金属限制下纳谐振腔中介质模式和表面等离激元模式的模式特性，金属限制下的纳谐振腔器件模式损耗的控制，模式匹配的高Q值和高光限制因子纳谐振腔结构的优化设计，低损耗高Q值纳谐振腔激光器制备及其在光子集成技术中的应用。项目提出一种可实现选择性单模激射的圆环微腔激光器。具有内壁光栅的圆环形微腔激光器，分布在圆环内壁的光栅结构可以有选择性的抑制圆环微腔模式的品质因子，使得只有角向量子数数目和光栅结构的周期数目相等的模式才能够保持足够高的品质因子，使得这种圆环形微腔激光器件能够有选择性的实现单一模式的激射。利用三维时域有限差分方法系统地分析了半径650nm、金属限制的圆柱形纳腔激光器的模式特性，通过直连薄层波导来实现定向输出，进而设计出硅波导耦合输出的III-V族波长和亚波长尺度激光器结构，激光器输出效率达到26%。研制出半径450nm，高度800nm纳腔激光器实现光泵浦激射；研制出边长2.2μm，高度800nm，有源区为InAlGaAs量子阱的微纳谐振腔激光器，实现波长在1556.5nm，边模抑制比21dB的室温单模激射，通过求解动态速率方程，结合实验获得的输入光输出光曲线，自发发射因子1.5*10-2。从而实现了室温下工作的金属限制亚波长尺度纳谐振腔激光光源的原型器件，为其在光子集成及光互连应用奠定基础。项目发表SCI检索论文23篇，申请发明专利2项，协助培养博士生3名，指导硕士生2名。