面向光互连应用的单片集成多波长复合腔面发射激光器阵列

Monolithic multi-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) array has great application prospect in high-speed and large-capacity optical interconnects. However, it is difficult for the conventional VCSEL to form a monolithic multi-wavelength laser array. This project will realize monolithic multi-wavelength hybrid-cavity surface-emitting laser array for optical interconnects by introducing high-contrast subwavelength gratings (HCGs) into VCSELs, based on the experimentally reported results that HCGs possess broadband high reflectivity and reflection phase tunability. The research contents include: tuning mechanisms of the resonance effect in the finite-size HCG for the reflection band, reflectivity, and reflection phase; phase-match method for the hybrid-cavity surface-emitting laser; design, fabrication, and characterization of hybrid-cavity surface-emitting lasers. Eventually the project will realize a monolithic 4-channel hybrid-cavity surface-emitting laser array with 5 nm channel spacing at 980 nm range, with each device in the array emitting a power of larger than 1 mW and having a threshold current of less than 1 mA and a side-mode suppression ratio of larger than 30 dB. This project will realize the monolithic multi-wavelength hybrid-cavity surface-emitting laser array for the first time in China, and the overall performance of the laser array will exceed the reported results. Also this study will push China into the international competition in the high-speed micro/nano VCSELs and to take its own seat.

单片集成多波长垂直腔面发射激光器在高速、大容量光互连中有巨大的应用前景。传统的垂直腔面发射激光器很难实现单片集成多波长激光器阵列结构。基于申请人已实验证实的亚波长光栅具有宽带高反射率的同时还具有反射相位可调谐的特性，本项目提出将亚波长光栅引入垂直腔面发射激光器，实现用于光互连的单片集成多波长复合腔面发射激光器阵列。研究内容包括：有限尺寸亚波长光栅中的共振效应对其反射带宽、反射率和反射相位的调制机理；复合腔面发射激光器中的相位匹配方法；复合腔面发射激光器阵列的设计、制备和表征方法。最终实现980nm波段、4路波长、波长间隔为5nm的电注入单片集成复合腔面发射激光器阵列，输出功率>1mW，阈值电流<1mA，边模抑制比>30dB。本项目将率先在国内实现单片集成多波长复合腔面发射激光器阵列，器件综合性能将超过已报道的国际最好水平，使我国在高速微纳面发射激光器研究的国际竞争中占有一席之地。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）在光互连和消费电子等领域具有重要的应用。它具有调制速度快、能效高、成本低、易于和多模光纤耦合、能够2维阵列集成等特点。项目采用亚波长光栅（HCG）替代VCSEL的上布拉格反射（DBR），降低VCSEL材料外延难度，同时实现4通道VCSEL阵列，用于大容量、高密度光互连等领域。.建立了用于面发射激光器的有限尺寸亚波长光学结构的设计分析方法，提出了采用异质结HCG-DBR垂直腔降低损耗和调制光束。发现了HCG-DBR垂直腔中的Dirac色散，提出了基于Dirac点的面发射激光器。设计出了光限制因子大于3%的940nm波段的HCG-VCSEL外延结构，外延材料的反射谱和增益谱测试结果和设计结果吻合。.改进了用于HCG-VCSEL制作的高温湿法氧化系统，实现了慢速（30-nm厚度的Al0.98Ga0.02As：170nm/min）、均匀氧化，设计和搭建了用于观测HCG-VCSEL氧化孔径的红外显微镜系统。开发了一整套制作HCG-VCSEL的工艺，包括HCG制作工艺、金属剥离工艺、选择性湿法腐蚀工艺、湿法氧化工艺等。升级了HCG-VCSEL的测量功率-电流-电压曲线测试系统，编写了相关控制程序。.在深入研究HCG-VCSEL的基础上，将光栅引入到边发射激光器中。采用普通光刻方法把表面高阶光栅引入到边发射激光器的脊型波导上，调控边发射激光器的模式和光场，降低单模边发射激光器的制作难度。.在1550nm波段边发射激光器的脊型波导上，采用普通光刻方法引入表面高阶光栅，实现了边模抑制比为44dB的单模边发射激光器，-3dB带宽为13.8GHz，在30Gbps的信号传输。实现了1550nm波段4段式的可调谐边发射激光器，边模抑制比可以达到36dB，20nm的范围能够实现调谐步长小于125GHz（1nm）。这种制作工艺简单的单模边发射激光器可以用于光互连、光交换等领域。.以第一作者或通讯作者在Photonics Research、Optics Express等期刊和国际会议上发表SCI/EI等论文16篇，申请专利7项，作关于VCSEL的邀请报告5次。