图1 定向发射的硅基GaN微环激光器
1.导读
以氮化镓（GaN）为代表的III族氮化物是一种直接带隙半导体，具有宽的发光光谱范围和高的发光效率，被广泛应用于制备高性能的光电器件，如激光器、发光二极管、探测器等。这其中，硅基GaN回音壁模式（Whispering-galleryMode）微腔激光器具有体积小、品质因子高、阈值低、平面几何结构等优点，可作为光电集成和片上光互连系统的潜在片上光源。但是圆形对称的微腔（如微盘、微环）四周都会出光，其有效光收集效率低，并且多余的光会对其他相邻器件产生信号干扰，不利于片上集成系统光信号传输。针对这些问题，近日中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所孙钱研究员团队在Nanophotonics发表最新文章，通过在硅基GaN微环激光器侧壁依次沉积氮化硅介质层和金属银覆盖层，增强光场横向限制；进一步通过集成直连波导耦合出光，实现了硅基GaN微环激光器的定向发射，光只从直连波导输出（见图1）。此外，该团队在输出波导的另一端耦合连接微盘光电探测器，成功探测到微环激光器的输出光功率变化，初步实现了定向发射的硅基GaN微环激光器、波导和探测器的片上集成。该研究成果不仅为实现回音壁模式微腔激光器的定向发射提供了新思路，并且为硅基GaN微环激光器在片上集成、可见光通信、平面内高速数据传输等领域的应用奠定了基础。2.研究背景
硅基GaN微环激光器因其高的发光效率、小的器件体积、高的调制带宽，在集成光学、可见光通信、片上光互连等领域具有广泛的应用前景。然而，圆形微腔的高度旋转对称性使其存在平面内各向同性发光的问题。这不仅导致微环激光器的有效光收集效率降低，并且对相邻器件的光串扰严重，不利于片上集成系统信号的传输，从而限制了微环激光器的应用范围。因此，如何实现微环激光器的定向发射以及有效的光收集是硅基GaN微环激光器所面临的重要挑战。众多研究者提出通过改变圆形微腔的对称性来实现微环激光器的定向发射，比如采用偏心的微环结构、螺旋形微腔结构、带角或缺口的微盘等不对称的器件设计。但是这种方法只是实现某一方向光强度的增大，其他方向仍然有较强的光场分布。除此之外，高效的波导耦合技术也是有效提取和收集光必不可少的条件。科学家们利用倏逝波来实现光波导耦合，但是这种方法要求波导与激光器之间的间隙控制十分精确，达到几十纳米数量级，这种器件制备十分困难。3.创新研究
针对上述挑战，研究人员提出利用金属银在可见光波段的高反射率，增强光场的横向限制，将光限制在微腔内，再通过集成直连波导进行耦合出光，使得光只从波导处发出，同时实现硅基GaN微环激光器的定向发射和波导耦合。研究人员首先通过金属有机化学气相沉积技术在硅衬底上生长了高质量的GaN基激光器材料，随后经过光刻、刻蚀、沉积薄膜等微纳加工技术形成具有直连波导的硅基GaN微环激光器结构，之后通过等离子增强化学气相沉积技术沉积了一层氮化硅介质薄膜以防止器件漏电，最后通过磁控溅射的方式在微环的侧壁和上表面沉积了Ag/Ti/Au金属层，成功制备了定向发射的硅基GaN微环激光器（见图2）。研究人员通过对比微环激光器侧壁是否沉积金属层的发光显微镜图片，清晰地观察到微环侧壁沉积金属层后能有效地抑制微环边缘的发光，光只从直连波导发出，成功实现硅基GaN微环激光器的定向发射（见图1）。此外，该定向发射的硅基GaN微环激光器表现出优异的光电性能，在室温下实现了电注入激射，并且器件的激射阈值相比较于侧壁未沉积金属层的器件没有明显增大（见图3）。
图2 定向发射的硅基GaN微环激光器外延结构及器件结构图
图3 定向发射的硅基GaN微环激光器的光电性能表征曲线
在此基础上，研究者在输出波导的另一端耦合连接微盘光电探测器，成功探测到微环激光器的输出光功率变化，初步实现了定向发射的硅基GaN微环激光器、波导和探测器片上集成（见图4）。该硅基GaN微环激光器具有10.8 GHz的RC限制带宽，有望在GaN-on-Si平台上实现大的3 dB调制带宽和高的调制速率，在平面内高速数据传输和可见光通信方面显示出巨大的应用潜力。
图4 硅基GaN微环激光器的片上集成
4.应用与展望
研究团队提出的定向发射的硅基GaN微环激光器的制备方法，具有器件制备简单、易集成、可规模化的优势。制备的定向发射的硅基GaN微环激光器在室温下表现出优越的光电性能，并且具有高的RC限制带宽，在平面内高速数据传输和可见光通信方面显示出巨大的应用潜力。该研究成果以“Unidirectional emission of GaN-on-Si microring laserand its on-chip integration”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Hanru Zhao, Meixin Feng, Jianxun Liu, Xiujian Sun, TaoTao, Qian Sun, Hui Yang，其中Hanru Zhao是第一作者，Meixin Feng和Qian Sun研究员为共同通讯作者。孙钱研究员团队隶属于中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。来源：Nanophotonics
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