2023年4月14日下午14：00，北京大学电子学院前沿学术论坛第50期讲座在北京大学理科二号楼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。本次报告由电子学院副院长王兴军教授主持。

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，电子学院副院长王兴军为黄永箴研究员颁发了北京大学电子学院前沿学术论坛纪念牌。