可见光片上宽带多波长微激光器阵列技术取得突破性进展

    当前，全球数据流量呈现爆发式增长态势，传统电子互联技术已难以满足数据中心及高性能计算系统对高速率、高能效比、低成本数据传输的核心需求。硅光子学作为缓解数据处理与传输“互联瓶颈”的关键技术，凭借高传输速率、高集成密度、低功耗等显著优势，以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺的固有兼容性，已成为光子集成电路（PICs）领域的主流发展方向。然而，硅材料的间接带隙特性导致片上激光源的研发面临严峻挑战，尤其是在可见光波段实现宽带多波长微激光器的异质集成，长期以来一直是行业内亟待攻克的技术难题。
    近日，厦门大学梅洋助理教授、张保平教授团队联合华东师范大学翁国恩副教授等科研人员，在Si(100)基板上成功实现GaN基宽带多波长微激光器阵列的异质集成，相关研究成果正式发表于国际顶级学术期刊《Laser&PhotonicsReviews》。该研究为硅基光子集成电路平台的可见光片上集成激光源研发提供了创新性解决方案，具有重要的学术价值与工程应用意义。

    一、核心技术突破：性能与兼容性的协同实现
    该研究的核心创新点在于提出了一种可扩展的异质集成策略，通过单一外延晶片与一轮晶片键合工艺，在与CMOS工艺兼容的Si(100)基板上完成多波长GaN基微盘激光器阵列的集成制备，显著简化了传统技术流程的复杂性与成本。所制备的微激光器呈现出优异的光学性能：品质因数（Q因子）高达13138，有效降低了激光振荡过程中的能量损耗；室温条件下阈值密度低至57.85μJ·cm⁻²，具有突出的低功耗优势。
    通过精确调控微盘结构的尺寸参数（8-20μm）或几何形状（圆形、正六边形、正方形），研究团队实现了激光波长在455-503nm光谱范围内的动态调谐，覆盖蓝色至绿色可见光波段，光谱跨度达48nm，对应频率带宽约63太赫兹，充分满足宽带多波长应用场景的需求。

    二、关键作用机制：腔损耗调制的精准调控
    该技术的核心作用机制在于基于高铟含量InGaN多量子阱的宽可调增益特性，通过腔损耗调制实现激光波长的精准调控。研究表明，尺寸更小或边数更少的微盘结构将产生更高的腔损耗，进而需要更高的泵浦能量以达成激光发射条件；而高泵浦能量引发的高载流子注入效应会导致增益谱蓝移，最终使激光波长随腔损耗的增加呈现规律性缩短。
    这一“腔损耗-阈值增益-激光波长”的关联调控机制，摒弃了传统技术中依赖多种增益材料或多轮晶片键合工艺的复杂方案，从原理上解决了多波长集成与制备成本、工艺兼容性之间的矛盾，为规模化应用奠定了核心基础。

    三、制备工艺优化：兼顾性能与工程可行性
    研究团队通过系统化的工艺优化，构建了兼顾性能稳定性与工程可行性的制备流程：首先在蓝宝石衬底上制备InGaN多量子阱外延片，采用倒装键合技术将其转移至Si(100)基板；经激光剥离（LLO）与化学机械抛光（CMP）工艺去除缺陷层，获得高质量GaN薄膜；最终通过电感耦合等离子体（ICP）刻蚀形成不同尺寸与形状的微盘结构。
    优化后的工艺使微盘表面均方根粗糙度仅为0.29nm，为高Q因子的实现提供了结构保障；同时，微盘下方气隙结构的设计有效降低了光振荡过程中的散射损失，进一步提升了器件的光学性能。尤为重要的是，Si(100)基板的选用确保了器件与现有CMOS制造及封装技术的完全兼容，为后续规模化量产提供了工程可行性。

    四、应用前景：赋能多领域技术革新与产业升级
    该技术的突破性进展为硅基光子学的应用拓展提供了关键支撑，在多个重点领域具有广阔的应用前景：在多通道光通信领域，宽带多波长激光阵列可显著提升光收发器的传输容量，为800Gbps及以上高速光通信系统的集成化提供核心器件支撑；在生物医学传感领域，精准可调的可见光波长可满足不同生物标志物的特异性检测需求，推动传感设备向高灵敏度、微型化方向发展；与此同时，该技术还可广泛应用于量子通信、神经光子学、水下通信、增强现实/虚拟现实（AR/VR）显示等新兴领域，助力相关设备实现低功耗、高集成度、小型化的技术升级。

    此次研究不仅成功攻克了可见光片上多波长微激光器异质集成的核心技术难题，更构建了一套兼顾性能指标、制备成本与工艺兼容性的系统化解决方案。随着制备工艺的持续优化与完善，未来有望进一步拓展波长覆盖范围、提升集成密度与可靠性，为下一代硅基光子集成电路的技术发展与产业应用注入重要动力。