演繹“微腔激光器領域”自主創新
——記中科院半導體所光電子研發中心主任黃永箴研究員

本刊記者 李春麗

演繹“微腔激光器領域”自主創新
——記中科院半導體所光電子研發中心主任黃永箴研究員

本刊記者 李春麗

微腔激光器科技是當今世界光學科技前沿中最為活躍的研究領域之一。研究低功耗小體積的微腔激光器及微光探測器，并將其應用在光互連中對于信息技術發展有著重要意義，同時也符合綠色信息網絡發展的需要。今天，一個在微腔激光器領域腳踏實地探索的自主創新人物，彰現出一種敢為人先、勇于挑戰自我的精神。這就是中科院半導體所光電子研發中心主任黃永箴研究員。

和黃永箴研究員名字聯系在一起的是一串科研自主創新成果和一系列沉甸甸的榮譽：2008年，他獲得中科院半導體研究所優秀科研成果獎；他的論文“正方形光學微腔半導體激光器”和“微腔雙穩態半導體激光器”分別入選《激光與光電子學進展》雜志評選的2008年度和2009年度中國光學重要成果。

2009年，他所參與研究的半導體光子學器件獲得當年國防科技進步二等獎。他還多次應邀在國際學術會議上報告微腔激光器的研究成果，他共獲得七項中國發明專利和一項美國發明專利，發表SCI論文九十多篇。

2010年6月24日，他所領導的課題組最新研制的“雙端口InGaAsP/InP正方形微腔激光器”，被化合物半導體（Compounds Semiconductor)一刊在Research View欄目中以“PICs Could Benefit From Square Lasers”為題做了介紹。

……

除了科研上的創新成果和一系榮譽外，他還在培養國家后備人才方面成績顯著：

在2005年和2007年，他獲得中科院優秀研究生指導教師獎。

在2006年和2008年，分別獲得中科院研究生院優秀教師和中科院寶潔優秀研究生導師獎，他培養的博士兩次獲得中科院優秀博士論文，一次全國百篇優秀博士論文。

在2010年，他培養的博士兩人獲得中國科學院院長優秀獎，一人獲中科院優秀博士論文提名獎。

……

1989年，北京大學物理系博士畢業的黃永箴走進了中科院半導體研究所。從那天起，他的生命就和微腔激光器領域的發展緊緊系在了一起，20多年的歲月沒能消磨掉他一往如前如火似的自主創新激情。

黃永箴從1989年進入中科院半導體研究所后的前十年間，主要是參加課題組的研究工作，那時候從事的主要是屬于跟蹤性質的高技術研究項目。這十年的積累為他在今后的發展奠定了堅實的基礎。他從1999年開始獨立從事研究工作，當時面臨的最大問題就是選擇什么研究方向。了解到當時定向輸出微腔激光器是光電子器件研究的熱點問題，而變形圓盤微腔的研究最多。黃永箴考慮到集成光學是他們實驗室的主攻方向，而集成光學需要的肯定是微小的光學器件，而且可用平面工藝制作的連接輸出波導的微腔激光器應該是最適合集成的。為此，他從幾何光學的光線傳播分析正三角形可能適合制作定向輸出的微腔激光器。但當時中科院半導體研究所的工藝條件有限，所以先從光學微腔的模式特性分析和數值模擬出發開展研究。在剛有想法時能得到國家自然科學基金的支持，而且在2002年得到了國家杰出青年科學基金的資助，使得黃永箴可以以微腔激光器研究作為主要的研究課題專心的開展工作。

黃永箴從選擇微腔激光器的研究開始就走上一條自主創新的道路。用他自己的話說：“我只是選擇了定向輸出微腔激光器這個需求，而沒有跟隨當時國際上的研究熱點—變形圓盤激光器，但完全創新還是很難的。”開始研究不久，實驗室一位研究人員就跟黃永箴說IBM在1964年就發表過正三角腔激光器的論文，后來發現日本的NTT在幾年前也研制了正三角腔激光器。但是黃永箴認為，其他人的器件都是利用（111）晶面上材料用解理或選擇生長方法制作的，而自己是要用平面工藝在通用的（100）晶面上半導體材料制作正三角腔激光器。因此，黃永箴覺得自己的方案還是創新的，并一直堅持下來。就這樣憑著自主創新的精神，黃永箴在國際上率先研究得出正三角形和正方形光學微腔的模式解析場分布，并研制出正三角形和正方形光學微腔半導體激光器，以及帶輸出波導的圓形微腔半導體激光器。

在利用晶體材料解理面形成的法帕腔半導體激光器中，垂直于解理面模式光線的反射系數只有30%左右。但在圓形諧振腔中，以大于全反射臨界角入射到界面上的模式光線可以完全限制腔中。在上世紀九十年代初，貝爾實驗室首先研制出圓形的微盤激光器，后來日本人可以說把圓盤激光器推向了極致，他們研制出的圓盤激光器的半徑甚至比激光波長還小。但是圓對稱的微盤激光器沒有定向的激光輸出限制了這種激光器的可能應用，如何實現微腔激光器的定向輸出引起人們極大的重視。人們往往通過局部破壞圓盤的對稱性、圓盤的整體變形、以及與輸出波導的消逝波耦合來實現微盤激光器定向激光輸出。利用變形圓盤實現定向輸出是人們研究最多的一種解決方案，而且變形圓盤中模式光線往往具有混沌特性，物理現象非常豐富，吸引了許多研究人員的注意。

黃永箴認為從微腔上直接連接一輸出波導是實現定向輸出微腔激光器的最簡單方案，而且也適合應用到集成光學回路上。但一般認為模式光線繞圓形微腔一周就會散射到連接的輸出波導，微腔模式壽命將大大降低，不易于實現激射。黃永箴課題組首先研究得出正三角形和正方形微腔的模式場分布和模式波長，發現其邊界模式場分布的包絡不象圓形微腔一樣是均勻分布的，而是受橫模場分布的調控。在場分布弱的地方連接輸出波導，可以在保證模式長壽命的條件下實現定向輸出。根據模式特性的研究成果，黃永箴首次利用（100）面生長的普通半導體激光器芯片研制成功室溫連續激射的正三角形和正方形微腔激光器。最近，他們還發現在圓形微腔中連接一輸出波導，對稱性的破缺造成模式耦合現象。利用這種耦合模，他們研制出直接連接輸出波導的圓形微腔激光器。另外，他們還研制出連接兩個輸出波導的正方形微腔激光器，《Compound Semiconductors》雜志以光子集成回路能受益于正方形微腔激光器報導了他們所發表的論文。

不斷獲得新的研究成果也使黃永箴可以一直堅持做下來，他已經在IEEE系列刊物上發表了20多篇有關光學微腔的研究論文。談起自己的成功和榮譽，黃永箴總是很謙虛，認為選擇了一個符合集成光電子領域發展趨勢并處于上升期的研究課題，走自己的路，堅持不懈的努力，最終獲得一些創新成果。

自主創新是時代的最強音，我們期待并堅信這位微腔激光器領域的探索者，能再一次用更驚人的創舉，演繹人生夢想的傳奇。

專家簡介：黃永箴，1963年1月生。中國科學院半導體研究所研究員，于1983年、1986年和1989年在北京大學物理系分別獲得學士、碩士和博士學位，1989年進入中科院半導體研究所工作?，F任集成光電子學國家重點聯合實驗室學術委員會主任及半導體所實驗區主任，中科院半導體所學術委員會副主任。2002年獲得國家杰出青年科學基金，重點研究微腔的模式特性及微腔激光器，在單向輸出微腔半導體激光器的研究上獲得系列創新性成果。兩次獲得中國科學院優秀研究生指導教師獎，指導的博士獲得五次中科院院長優秀獎、兩次中科院優秀博士論文和2008年全國百篇優秀博士論文。