IEEE SiPhotonics2025|垂直发射纳米脊激光器
引言在光电子领域，将光学元件与硅电子器件集成一直是长期追求的目标。垂直腔表面发射激光器（VCSELs）因其紧凑尺寸和成本效益，在数据通信和消费类应用中获得了广泛应用。尽管有这些优势，VCSELs仍面临显著限制，包括复杂的外延生长工艺和在多波长应用方面的挑战，特别是在850 nm和980 nm波长范围以外。此外，在单个晶圆上生长不同波长的VCSELs并实现与其他器件的单片集成存在相当大的困难。
纳米脊技术为这些挑战提供了一个有效解决方案。这种创新方法结合了纵横比陷阱（Aspect Ratio Trapping，ART）和纳米脊工程（Nano-Ridge Engineering，NRE），能够在硅基底上直接生长高质量、无缺陷的有源材料，无需厚缓冲层。此前，这项技术已成功用于创建光泵浦分布反馈（DFB）激光器、PIN探测器，甚至室温下电注入连续波激光器，利用模式拍频减少电接触引起的损耗。
1连续态束缚态：新型方法连续态束缚态（Bound States in the Continuum，BIC）概念代表了一种奇特的物理现象，为这种纳米脊激光器设计提供了基础。BIC是一种光学模式，尽管存在于光线以上，但仍保持完美局限在结构内，而常规模式通常会辐射到自由空间。这些独特状态出现在带边缘或Γ点，具有平坦的色散，赋予其低群速度和与有源介质更长的相互作用时间——这些都是激光运行的理想条件。
通过精心设计，研究人员证明纳米脊阵列可以支持高Q因子的BIC模式，提供强光学限制和最小辐射损失。有限差分时域（FDTD）模拟揭示了GaAs纳米脊（n≈3.5）与空气交替形成的带结构中的一系列模式。这些模式的共振频率可以通过调整周期性、纳米脊宽度和高度等参数来调节。图1：(a) FDTD计算的纳米脊阵列带图，辐射连续区位于光线（红色）上方。(b) TE模式（蓝色箭头）的模式剖面图，显示纳米脊结构中非对称电场分布。(c) 制造的纳米脊阵列的扫描电子显微镜图像。
在这些参数中，周期性被证明是调节共振频率最有效的方法。为了实现1000 nm左右的共振，研究人员探索了300至500 nm之间的周期性，最终基于掩模可用性选择了380 nm用于制造。此外，由于GaAs和空气之间的高折射率对比，纳米脊宽度也是精细调节共振频率的关键因素。
2TE模式特性和制造研究人员特别关注Γ点（kx/k0 = 0）处的模式，在图1a中由蓝色箭头标示。这种TE模式在纳米脊中心展示出带有节点的非对称电场，如图1b所示。这种非对称性导致远场中的破坏性干涉，有效地将光限制在纳米脊结构内。
一个挑战源于纳米脊生长在硅基底上，这阻止了模式的完美对称性，导致一些辐射泄漏到基底中。尽管有这一限制，研究人员为由90个周期组成的阵列实现了约30,000的高Q因子。
3实验结果和激光性能制造的样品通过室温下的微光致发光光谱进行表征。使用532 nm纳秒脉冲Nd-YAG激光器作为光泵，通过数值孔径（NA）为0.65的显微物镜聚焦成直径300 μm的光斑。来自准无限纳米脊阵列（300 μm）的发射通过同一显微物镜收集并导向光谱仪进行分析。
在低激发条件下，器件在近红外区域（约900–1000 nm）展示出宽带发射光谱。然而，当达到10 kW/cm²的泵功率密度时，在986 nm处出现了一个尖锐峰值，对应于关注的BIC TE模式。图2：(a) 不同泵功率下的激光光谱，显示在986 nm处的强峰值。(b) 积分强度与泵功率的关系，显示在约10 kW/cm²处的明显阈值。
如图2b所示，光-光（L-L）曲线在该泵功率水平显示出明显的阈值。超过此阈值后，输出功率急剧增加，证实了激光行为的开始。
研究人员还通过成像显微物镜的后焦平面分析了远场发射特性。结果显示出高度定向性发射，发散角约为5°。此外，发射沿纳米脊长度表现出强偏振，扩展比为12.5 dB。图3：阈值以上的后焦平面图像，偏振器(a)沿纳米脊方向和(b)垂直于纳米脊方向对准，展示了定向发射特性。
4结论和未来展望实验测量令人信服地证明了在硅基底上生长的InGaAs/GaAs纳米脊激光器的成功制造和激光运行。在986 nm处的尖锐发射峰值，对应于第一个TE偏振BIC模式，证实了纳米脊结构内的有效光学限制和共振。
这项工作为设计更小、广泛可调、成本效益高且与CMOS兼容的基于BIC技术的微型激光器奠定了坚实基础。通过克服VCSELs的传统限制并利用连续态束缚态的独特性质，这些纳米脊激光器为集成光电子应用提供了很好的解决方案，包括数据通信、传感和消费电子产品。
在标准300毫米硅晶圆上成功实现III-V族半导体激光器的单片集成，代表了实用硅基光电子技术的重要进展，结合了III-V材料优越的发光特性与硅加工技术的成熟度和可扩展性。
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