2023年4月14日下午14：00，12bet手机端app官网前沿学术论坛第50期讲座在12bet手机端app官网理科二号楼2736报告厅成功举办。中国科学院半导体研究所黄永箴研究员以“微腔半导体激光器模式控制及应用”为题作了精彩报告。本次报告由12bet手机端app官网副经理王兴军教授主持。

黄永箴研究员从回音壁的历史起源讲起，回音壁模式是1910由Lord Raleigh在论文中提出，研究了伦敦圣保罗教堂的回音壁问题，其原理是声波可以不断地在弯曲光滑的墙面反射而损耗很小,所以声音可以沿着墙壁传播很远的距离。光在尺寸大于波长水滴的散射与水中的限制回音壁模式相关，在闭合腔体的边界内,光可以一直被囚禁在腔体内部保持稳定的行波传输模式。将回音壁模式拓展到微腔领域，即为模式光线在界面的内全反射模式。随着硅基光电子学的迅猛发展，硅基波导光学微腔具有Q值高、模式体积小、阈值低、易于集成等特点。微盘以及变形微腔激光器由于具有旋转对称性，不利于实现定向耦合输出。为了解决这个问题，可以通过采用变形腔打破对称性，使得光线在部分边界不满足全反射条件，从而实现输出。传统的倏逝波耦合输出的微盘激光器，其耦合输出对间距非常敏感。而对于直连波导的回音壁模式微腔激光器，可以采用三角形、正方形、多边形及圆形波导的输出，不需要采用倏逝波耦合。

随后黄永箴研究员给我们讲解光学微腔的基本原理，从基本的方形光学微腔出发，其模式可以用解析解的形式表达出来，通过时域有限差分法求出其微腔中的场分布，确保两个横向波矢分量差别很小，即可在四个界面实现全反射，使得光线在界面来回游走而不逸出。通过模式相互耦合改变场分布以及调节模式损耗，从而产生高品质因子的耦合模式。在场强分布较强的区域连接输出直波导，即可将腔内的光输出。

方形腔的模式不会受到输出波导的影响，但会改变腔体的q值，而圆形微腔在添加输出波导后不会改变q值，其模式有原来的模式互相耦合产生。采用方向腔，提出了一种模式间隔可调的双模方形微腔激光器，波长间隔从0.18 nm调谐到0.1 nm，并且强度比小于4 dB。与传统的FP腔不同，其存在的纵横模式阶数重合度较高的情况，难以实现稳定的双模，正方形微腔的相邻基横模和一阶横模的场分布对模式指数都不一样，满足双模稳定存在的条件。在正方形微腔的单侧引入弧形变形，能够使得输出集中在波导基横模。相比于传统的DBR或者DFB的双模激光器，提出的正方形微腔激光器的结构更加简单，而且同一谐振腔中产生的双模波长间隔对环境波动不敏感。

接下来，黄永箴研究员讲述了自发混沌的变形微腔激光器。混沌激光器在随机数产生、混沌光通信以及混沌激光雷达等领域有重要应用。通过对微腔进行双模式互注入，通过分析载流子拍频振荡的速率方程，可以发现随着两个模式间隔的改变，激光进入单周期、双周期、混沌等非线性状态。使用环形电极实现模式间隔调谐的设计，随着输入电流的增加，输出光谱越来越宽，进入混沌状态。还通过三模光-光谐振提升自发混沌带宽，并进行了随机数提取实验，实现了100G Sa/s的取样速率的AC数据分布，以及0.5ns的差分数据分布。黄永箴研究员讲解了耦合腔激光器的研究工作。耦合腔激光器利用不同FSR的腔体耦合，可以实现更好的模式选择、高功率输出以及波长调谐性。针对正方形微腔激光器的远场模式效果不理想的问题，把正方形微腔和FP腔结合在一起，实现FP腔耦合腔激光器的双稳态输出，调谐范围大于33nm，边摸抑制比达到40dB，实现C波波段的42路DWDM输出。

最后黄永箴研究员展示了微腔激光器在光电子学领域方面的应用，包括光生微波、光生THz，光频梳种子源等。基于双泵浦的布里渊环路以及非线性光纤扩展，以双模微腔作为种子源，利用四波混频效应实现倍频程光梳。使用混沌微腔激光器实现光时域反射计。还可以作为双端口入射的硅基全光处理芯片的光源，并能保持两个光源的良好相干性。黄永箴研究员表示，未来将在二维集成的正方形微腔激光器这一方向继续深耕，为实现高性能、大规模的集成微腔激光器而不断努力。

在提问环节，聆听报告的师生们与黄永箴研究员进行了充分的交流。黄永箴研究员对于当前混沌激光光源的几种方案发表了自己的观点，对于混沌光源的关键性能参数进行了比较。

报告结束时，12bet手机端app官网副经理王兴军为黄永箴研究员颁发了12bet手机端app官网前沿学术论坛纪念牌。