半导体所在可调谐MEMS-VCSEL研究方面取得进展

波长连续调谐（扫频）垂直腔面发射激光器（VCSEL）在光学相干层析成像（OCT）、调频连续波（FMCW）激光雷达、智能制造等领域有重要应用。在这些应用中，对可调谐VCSEL进行功率监测至关重要。此外，VCSEL具有单纵模、低功耗、易于二维阵列集成等优点，是垂直集成光子系统的理想光源。在未来用于人工智能和传感等领域的三维垂直集成光子系统中，具有宽带波长调谐和集成功率监测功能的VCSEL是关键器件。

可调谐微机电系统（MEMS）VCSEL是理想的宽带波长调谐激光光源，通过静电吸引或者电热效应移动MEMS可调谐反射镜，改变腔长实现波长调谐。实现集成功率监测功能对于可调谐MEMS-VCSEL极具挑战。通常在VCSEL的n型分布布拉格反射镜（DBR）一侧集成光电探测器（PD）监测输出功率，但是会降低可调谐MEMS-VCSEL的波长调谐性能，增加器件制作的难度。而在可调谐MEMS-VCSEL的有源区p侧引入PD结构，也会降低器件的输出功率和波长调谐性能。

最近中国科学院半导体研究所郑婉华院士团队刘安金研究组在集成功率监测功能的可调谐MEMS-VCSEL研究方面取得进展。刘安金研究组在2022年采用一种新器件结构和新制作工艺实现单模MEMS-VCSEL（Photonics Research 10，1170，2022，期刊封面论文）的基础上，近期报道了一种集成PD的可调谐MEMS-VCSEL，器件结构如图1所示。在该器件中MEMS可调谐亚波长光栅（HCG）反射镜和DBR构成垂直腔，MEMS可调谐反射镜在反偏压作用下改变垂直腔腔长，调谐激射波长；同时，有源区上侧n-i-p型MEMS结构（即PD结构）的i型牺牲层吸收腔内散射光，实现对输出光功率的监测，但不降低MEMS-VCSEL的波长调谐性能。

测试结果显示，该可调谐MEMS-VCSEL在室温下实现了27nm的波长调谐范围，如图2所示，与设计结果吻合。尽管集成PD的材料带隙能量大于激光光子能量，但是基于光辅助Shockley-Read-Hall机制，集成PD可以在不降低器件的波长调谐性能和输出光功率的情况下，实现对器件输出光功率的监测，如图3所示。器件还可作为谐振腔增强光电探测器，并在926nm波长处获得最大响应度。 该工作为实现可调谐MEMS-VCSEL集成功率监测功能提供了一种新思路。

相关研究结果以Detector-integrated vertical-cavity surface-emitting laser with a movable high-contrast grating mirror为题，发表在《光子学研究》（Photonics Research）期刊上（Photonics Research 12, 1437, 2024. DOI：10.1364/PRJ.519679），半导体所博士生王鸣禄为论文第一作者，刘安金研究员为论文通讯作者。该工作得到了郑婉华院士的悉心指导，还得到了国家自然科学基金项目的资助。

图1 （a）集成PD可调谐MEMS-VCSEL的SEM图；（b）器件外延结构及掺杂示意图

图2 （a）在1.0mA连续电注入条件下，集成PD可调谐MEMS-VCSEL在不同调谐电压下的光谱图；（b）不同调谐电压下的基模波长

图3 （a）集成PD可调谐MEMS-VCSEL的光功率-电流-集成PD光电流曲线；（b）集成PD光电流-光功率曲线