面向光广播通信的全向发光单模电泵浦微激光器

随着人工智能应用和大数据服务的指数级增长，通信网络的信息容量面临巨大压力。5G之后，高速可见光通信（VLC）因其低成本和大可用带宽，成为先进无线技术路线图的关键元素，同时光链路也被探索用于芯片间和芯片内的数据交换。在整个可见光谱中，蓝色发光区域尤为引人注目，III族氮化物半导体常被选作蓝色发射器，因其具有高微分增益、亚纳秒载流子寿命，可实现吉赫兹级直接调制用于VLC，还能作为高效泵浦源激发下转换材料产生绿/红光用于全色显示，或激发荧光团和组织自发荧光用于生物传感，相比绿、红光发射器更具优势。

以往研究表明，蓝色激光发射器（如边发射激光器EEL）比发光二极管（LED）具有更优的通信和显示性能，但EEL难以小型化以实现紧凑集成，而微激光器被认为是更有前景的候选者。最常见的垂直腔面发射激光器（VCSEL）包含分布式布拉格反射器，呈垂直光发射，平面集成复杂。相比之下，回音壁模式（WGM）微激光器使用与EEL类似的薄外延层，提供侧向输出耦合，简化了平面光子集成。

WGM微激光器通常采用微盘或微环腔谐振器，因辐射损耗小而具有高品质因数（Q值）。然而，III族氮化物异质结构间的折射率差异小，限制了垂直光限制，阻碍了发射与增益介质的耦合以实现激光。因此，普遍方法依赖复杂的底切制造技术（如选择性化学蚀刻）来制作边缘被空气包围的蘑菇形微盘，但这类微盘激光器多为光泵浦，虽近期实现了电泵浦激光，但其复杂的制造步骤和易受外力开裂的问题，给可靠电泵浦运行带来挑战。随着GaN基EEL的成熟，使用类似外延层的WGM微盘激光器因制造工艺简单、一致性好，比蘑菇形微盘激光器更具竞争力，但仍面临高阈值和多模激光问题，导致功耗增加，限制了其在光通信数据传输中的实际应用。

本研究通过可扩展制造策略，展示了直径10至160μm的连续波（CW）电泵浦GaN基WGM蓝色微盘激光器。通过精心处理微盘的垂直光限制和侧壁表面，降低了光损耗，使所有微盘激光器均具有极低的阈值电流密度和高斜率效率。此外，通过将微盘转为微环来调制微激光器形态，抑制了高阶模式，成功实现了Q值高达17066的单模运行，远高于以往报道值。这些单模微激光器在不同路由方向上表现出相同的高调制带宽，实现了高达6.25吉比特/秒（Gbps）的高速数据传输率，这是以往工作所不具备的。

在低阈值电泵浦微盘激光器方面，GaN基蓝色激光结构通过金属有机化学气相沉积在GaN衬底上外延生长，有源区为InGaN/GaN多量子阱（MQW），夹在n侧和p侧的InGaN波导层与AlGaN包层之间，设计用于在垂直方向为有源区提供强光学限制。p-GaN表面沉积100nm厚的氧化铟锡（ITO）层，经快速热退火后作为电流扩展层，降低体电阻和接触电阻，且ITO层与p-GaN层界面光滑均匀，使界面散射损耗最小。通过传输矩阵法模拟，ITO作为p接触层能显著降低吸收损耗，增强波导区域的光场强度约43%，从而降低电泵浦微盘激光器的阈值。

制造微盘激光器时，采用循环蚀刻工艺和KOH湿法蚀刻修复侧壁表面缺陷，获得原子级光滑的侧壁，相比传统工艺，阈值电流密度从5.53kA/cm²降至2.32kA/cm²，连续波运行稳定性提升。不同直径（10-160μm）的微盘激光器均能电泵浦出激光，阈值电流密度随直径增大从4.6显著降至约0.9kA/cm²，且优化工艺显著降低了表面复合，尺寸依赖性弱于GaAs量子阱基WGM激光器。

为实现单模激光，通过在微盘中心引入圆柱形空气孔将其转为微环，破坏高阶WGM的共振，使仅基模能在微环内共振传播。所制备的微环激光器在注入电流达4倍阈值前均为单模激光，中心波长443.73nm，半高宽26pm，Q值达17066，远超以往电泵浦GaN基激光器，边模抑制比（SMSR）约15.8dB，较微盘激光器提高26.3倍。

由于WGM的连续旋转对称性，微激光器的辐射在面内全向角度均匀分布，适用于光广播通信。搭建的可见光通信系统中，单模微环激光器在0°至180°面内角度的-3dB调制带宽均约3.85GHz，实现了角度无关的高调制带宽，5Gbps数据传输的眼图在不同接收角度均保持良好信号完整性，支持米级、高保真全向通信，还实现了2.5至6.25Gbps的光纤耦合通信。

综上，本研究报道的CW电泵浦GaN基WGM微激光器具有低至0.9kA/cm²的电流密度和高于0.4W/A的斜率效率，峰值外量子效率（EQE）和壁插效率（WPE）分别约13%和7.2%，为GaN基可见光WGM微激光器树立了基准。将微激光器形状从微盘改为微环，实现了Q值17066的单模运行，比以往最高值大69%。最后，展示了实时同步广播通信概念，其全向路由辐射具有一致的幅度和相位、超过3.85GHz的相同调制带宽以及高达6.25Gbps的非归零（NRZ）传输数据率。这种微激光源可通过倏逝侧向耦合到特定设计的波导或直接在微激光器边缘对接耦合，在下一代片上集成光子学和VLC应用中具有巨大潜力。