演绎“微腔激光器领域”自主创新——记中科院半导体所光电子研发中心主任黄永箴研究员

本刊记者 李春丽

演绎“微腔激光器领域”自主创新
——记中科院半导体所光电子研发中心主任黄永箴研究员

本刊记者 李春丽

微腔激光器科技是当今世界光学科技前沿中最为活跃的研究领域之一。研究低功耗小体积的微腔激光器及微光探测器，并将其应用在光互连中对于信息技术发展有着重要意义，同时也符合绿色信息网络发展的需要。今天，一个在微腔激光器领域脚踏实地探索的自主创新人物，彰现出一种敢为人先、勇于挑战自我的精神。这就是中科院半导体所光电子研发中心主任黄永箴研究员。

和黄永箴研究员名字联系在一起的是一串科研自主创新成果和一系列沉甸甸的荣誉：2008年，他获得中科院半导体研究所优秀科研成果奖；他的论文“正方形光学微腔半导体激光器”和“微腔双稳态半导体激光器”分别入选《激光与光电子学进展》杂志评选的2008年度和2009年度中国光学重要成果。

2009年，他所参与研究的半导体光子学器件获得当年国防科技进步二等奖。他还多次应邀在国际学术会议上报告微腔激光器的研究成果，他共获得七项中国发明专利和一项美国发明专利，发表SCI论文九十多篇。

2010年6月24日，他所领导的课题组最新研制的“双端口InGaAsP/InP正方形微腔激光器”，被化合物半导体（Compounds Semiconductor)一刊在Research View栏目中以“PICs Could Benefit From Square Lasers”为题做了介绍。

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除了科研上的创新成果和一系荣誉外，他还在培养国家后备人才方面成绩显著：

在2005年和2007年，他获得中科院优秀研究生指导教师奖。

在2006年和2008年，分别获得中科院研究生院优秀教师和中科院宝洁优秀研究生导师奖，他培养的博士两次获得中科院优秀博士论文，一次全国百篇优秀博士论文。

在2010年，他培养的博士两人获得中国科学院院长优秀奖，一人获中科院优秀博士论文提名奖。

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1989年，北京大学物理系博士毕业的黄永箴走进了中科院半导体研究所。从那天起，他的生命就和微腔激光器领域的发展紧紧系在了一起，20多年的岁月没能消磨掉他一往如前如火似的自主创新激情。

黄永箴从1989年进入中科院半导体研究所后的前十年间，主要是参加课题组的研究工作，那时候从事的主要是属于跟踪性质的高技术研究项目。这十年的积累为他在今后的发展奠定了坚实的基础。他从1999年开始独立从事研究工作，当时面临的最大问题就是选择什么研究方向。了解到当时定向输出微腔激光器是光电子器件研究的热点问题，而变形圆盘微腔的研究最多。黄永箴考虑到集成光学是他们实验室的主攻方向，而集成光学需要的肯定是微小的光学器件，而且可用平面工艺制作的连接输出波导的微腔激光器应该是最适合集成的。为此，他从几何光学的光线传播分析正三角形可能适合制作定向输出的微腔激光器。但当时中科院半导体研究所的工艺条件有限，所以先从光学微腔的模式特性分析和数值模拟出发开展研究。在刚有想法时能得到国家自然科学基金的支持，而且在2002年得到了国家杰出青年科学基金的资助，使得黄永箴可以以微腔激光器研究作为主要的研究课题专心的开展工作。

黄永箴从选择微腔激光器的研究开始就走上一条自主创新的道路。用他自己的话说：“我只是选择了定向输出微腔激光器这个需求，而没有跟随当时国际上的研究热点—变形圆盘激光器，但完全创新还是很难的。”开始研究不久，实验室一位研究人员就跟黄永箴说IBM在1964年就发表过正三角腔激光器的论文，后来发现日本的NTT在几年前也研制了正三角腔激光器。但是黄永箴认为，其他人的器件都是利用（111）晶面上材料用解理或选择生长方法制作的，而自己是要用平面工艺在通用的（100）晶面上半导体材料制作正三角腔激光器。因此，黄永箴觉得自己的方案还是创新的，并一直坚持下来。就这样凭着自主创新的精神，黄永箴在国际上率先研究得出正三角形和正方形光学微腔的模式解析场分布，并研制出正三角形和正方形光学微腔半导体激光器，以及带输出波导的圆形微腔半导体激光器。

在利用晶体材料解理面形成的法帕腔半导体激光器中，垂直于解理面模式光线的反射系数只有30%左右。但在圆形谐振腔中，以大于全反射临界角入射到界面上的模式光线可以完全限制腔中。在上世纪九十年代初，贝尔实验室首先研制出圆形的微盘激光器，后来日本人可以说把圆盘激光器推向了极致，他们研制出的圆盘激光器的半径甚至比激光波长还小。但是圆对称的微盘激光器没有定向的激光输出限制了这种激光器的可能应用，如何实现微腔激光器的定向输出引起人们极大的重视。人们往往通过局部破坏圆盘的对称性、圆盘的整体变形、以及与输出波导的消逝波耦合来实现微盘激光器定向激光输出。利用变形圆盘实现定向输出是人们研究最多的一种解决方案，而且变形圆盘中模式光线往往具有混沌特性，物理现象非常丰富，吸引了许多研究人员的注意。

黄永箴认为从微腔上直接连接一输出波导是实现定向输出微腔激光器的最简单方案，而且也适合应用到集成光学回路上。但一般认为模式光线绕圆形微腔一周就会散射到连接的输出波导，微腔模式寿命将大大降低，不易于实现激射。黄永箴课题组首先研究得出正三角形和正方形微腔的模式场分布和模式波长，发现其边界模式场分布的包络不象圆形微腔一样是均匀分布的，而是受横模场分布的调控。在场分布弱的地方连接输出波导，可以在保证模式长寿命的条件下实现定向输出。根据模式特性的研究成果，黄永箴首次利用（100）面生长的普通半导体激光器芯片研制成功室温连续激射的正三角形和正方形微腔激光器。最近，他们还发现在圆形微腔中连接一输出波导，对称性的破缺造成模式耦合现象。利用这种耦合模，他们研制出直接连接输出波导的圆形微腔激光器。另外，他们还研制出连接两个输出波导的正方形微腔激光器，《Compound Semiconductors》杂志以光子集成回路能受益于正方形微腔激光器报导了他们所发表的论文。

不断获得新的研究成果也使黄永箴可以一直坚持做下来，他已经在IEEE系列刊物上发表了20多篇有关光学微腔的研究论文。谈起自己的成功和荣誉，黄永箴总是很谦虚，认为选择了一个符合集成光电子领域发展趋势并处于上升期的研究课题，走自己的路，坚持不懈的努力，最终获得一些创新成果。

自主创新是时代的最强音，我们期待并坚信这位微腔激光器领域的探索者，能再一次用更惊人的创举，演绎人生梦想的传奇。

专家简介：黄永箴，1963年1月生。中国科学院半导体研究所研究员，于1983年、1986年和1989年在北京大学物理系分别获得学士、硕士和博士学位，1989年进入中科院半导体研究所工作。现任集成光电子学国家重点联合实验室学术委员会主任及半导体所实验区主任，中科院半导体所学术委员会副主任。2002年获得国家杰出青年科学基金，重点研究微腔的模式特性及微腔激光器，在单向输出微腔半导体激光器的研究上获得系列创新性成果。两次获得中国科学院优秀研究生指导教师奖，指导的博士获得五次中科院院长优秀奖、两次中科院优秀博士论文和2008年全国百篇优秀博士论文。