波長連續(xù)調(diào)諧（掃頻）垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在光學(xué)相干層析成像（OCT）、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達、智能制造等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，對可調(diào)諧VCSEL進行功率監(jiān)測至關(guān)重要。此外，VCSEL具有單縱模、低功耗、易于二維陣列集成等優(yōu)點，是垂直集成光子系統(tǒng)的理想光源。在未來用于人工智能和傳感等領(lǐng)域的三維垂直集成光子系統(tǒng)中，具有寬帶波長調(diào)諧和集成功率監(jiān)測功能的VCSEL是關(guān)鍵器件。
可調(diào)諧微機電系統(tǒng)（MEMS）VCSEL是理想的寬帶波長調(diào)諧激光光源，通過靜電吸引或者電熱效應(yīng)移動MEMS可調(diào)諧反射鏡，改變腔長實現(xiàn)波長調(diào)諧。實現(xiàn)集成功率監(jiān)測功能對于可調(diào)諧MEMS-VCSEL極具挑戰(zhàn)。通常在VCSEL的n型分布布拉格反射鏡（DBR）一側(cè)集成光電探測器（PD）監(jiān)測輸出功率，但是會降低可調(diào)諧MEMS-VCSEL的波長調(diào)諧性能，增加器件制作的難度。而在可調(diào)諧MEMS-VCSEL的有源區(qū)p側(cè)引入PD結(jié)構(gòu)，也會降低器件的輸出功率和波長調(diào)諧性能。
近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所鄭婉華院士團隊劉安金研究組在集成功率監(jiān)測功能的可調(diào)諧MEMS-VCSEL研究方面取得進展。劉安金研究組在2022年采用一種新器件結(jié)構(gòu)和新制作工藝實現(xiàn)單模MEMS-VCSEL（Photonics Research 10，1170，2022，期刊封面論文）的基礎(chǔ)上，近期報道了一種集成PD的可調(diào)諧MEMS-VCSEL，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該器件中MEMS可調(diào)諧亞波長光柵（HCG）反射鏡和DBR構(gòu)成垂直腔，MEMS可調(diào)諧反射鏡在反偏壓作用下改變垂直腔腔長，調(diào)諧激射波長；同時，有源區(qū)上側(cè)n-i-p型MEMS結(jié)構(gòu)（即PD結(jié)構(gòu)）的i型犧牲層吸收腔內(nèi)散射光，實現(xiàn)對輸出光功率的監(jiān)測，但不降低MEMS-VCSEL的波長調(diào)諧性能。
測試結(jié)果顯示，該可調(diào)諧MEMS-VCSEL在室溫下實現(xiàn)了27nm的波長調(diào)諧范圍，如圖2所示，與設(shè)計結(jié)果吻合。盡管集成PD的材料帶隙能量大于激光光子能量，但是基于光輔助Shockley-Read-Hall機制，集成PD可以在不降低器件的波長調(diào)諧性能和輸出光功率的情況下，實現(xiàn)對器件輸出光功率的監(jiān)測，如圖3所示。器件還可作為諧振腔增強光電探測器，并在926nm波長處獲得最大響應(yīng)度。該工作為實現(xiàn)可調(diào)諧MEMS-VCSEL集成功率監(jiān)測功能提供了一種新思路。
相關(guān)研究結(jié)果以Detector-integrated vertical-cavity surface-emitting laser with a movable high-contrast grating mirror為題，發(fā)表在《光子學(xué)研究》（Photonics Research）期刊上（Photonics Research 12, 1437, 2024. DOI：10.1364/PRJ.519679），半導(dǎo)體所博士生王鳴祿為論文第一作者，劉安金研究員為論文通訊作者。該工作得到了鄭婉華院士的悉心指導(dǎo)，還得到了國家自然科學(xué)基金項目的資助。
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圖1 （a）集成PD可調(diào)諧MEMS-VCSEL的SEM圖；（b）器件外延結(jié)構(gòu)及摻雜示意圖
圖2 （a）在1.0mA連續(xù)電注入條件下，集成PD可調(diào)諧MEMS-VCSEL在不同調(diào)諧電壓下的光譜圖；（b）不同調(diào)諧電壓下的基模波長
圖3 （a）集成PD可調(diào)諧MEMS-VCSEL的光功率-電流-集成PD光電流曲線；（b）集成PD光電流-光功率曲線