波長連續(xù)調(diào)諧（掃頻）垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）在光學相干層析成像（OCT）、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達、智能制造等領域有重要應用。在這些應用中，對可調(diào)諧VCSEL進行功率監(jiān)測至關重要。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結構，也會降低器件的輸出功率和波長調(diào)諧性能。
近日，中國科學院半導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構和新制作工藝實現(xiàn)單模MEMS-VCSEL（Photonics Research 10，1170，2022，期刊封面論文）的基礎上，近期報道了一種集成PD的可調(diào)諧MEMS-VCSEL，器件結構如圖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結構（即PD結構）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，與設計結果吻合。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。
相關研究結果以Detector-integrated vertical-cavity surface-emitting laser with a movable high-contrast grating mirror為題，發(fā)表在《光子學研究》（Photonics Research）期刊上（Photonics Research 12, 1437, 2024. DOI：10.1364/PRJ.519679），半導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，還得到了國家自然科學基金項目的資助。
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圖1 （a）集成PD可調(diào)諧MEMS-VCSEL的SEM圖；（b）器件外延結構及摻雜示意圖
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