黄永箴介绍课题组研制的微腔激光器
光子集成芯片集成多种不同功能的光电子器件，既蕴含丰富的物理内涵，又有广阔的应用发展前景。可以预言，光子集成和光子学技术的发展将会是继微电子之后信息高科技的又一次巨大历史飞跃。基于这一前景，本刊记者专程采访了中科院半导体所光电子学专家黄永箴教授。
记者：在几何微腔激光器实验的研究方面，我国在国际上处于一个什么样的水平？您能为我们展望一下未来这个领域的研究方向和应用前景吗？
黄永箴：在定向输出回音壁微腔激光器的研制上，我们处于国际领先水平。但由于采用普通的光刻技术，我们只研制出尺度在10微米的微腔激光器，而且所研制的各种器件基本处于概念验证阶段，还没有实现性能的优化。我们从正三角形和正方形微腔激光器做到了主流的圆形微腔半导体激光器，但我们的圆形微腔激光器是可以直接与输出波导相连的，与前人的工作相比进了一步，特别适于光子集成。与金属相关的表面等离子体激元纳激光器是目前国际研究热点。数值模拟表明定向输出回音壁微腔激光器也可以做到尺度在微米量级，只要把器件的功耗降下来，这种器件在未来的光子集成、光互连、光存储和光信息处理方面具有重要的应用价值。
今天，集成电路芯片已经进入了人们日常生活的各个方面，极大地改善了人们的生活质量。具有极低阈值电流并可采用平面工艺制作的微腔激光器将是光子集成回路的理想光源，人们希望光子集成回路芯片将来也能像现在的集成电路一样改变世界的面貌；另一方面，随着信息技术的发展，微电子芯片间以及芯片内数据传输所需带宽飞速增长。目前数据传输还主要依靠传统的电互连，但其所需能量往往与距离成正比，将来高性能的计算芯片要求的数据带宽可能超过电互连的极限。光通信技术的能耗及带宽优势促使光互连不断在更短距离的数据传输上代替电互连。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。
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在腔中。在上世纪90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（右）与其培养的全国百篇优秀博士论文获得者陈沁合影
记者：我们了解到您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，可以说是业内首屈一指的专家。能否为我们介绍一下这项成果？
黄永箴：我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。我们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像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，我们首次利用（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，我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，我们研制出直接连接输出波导的圆形微腔激光器。另外，我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》为题报道了我们所发表的论文。
记者：请简要介绍一下您的求学经历？您为什么要选择光学微腔的模式特性作为您的研究方向？
黄永箴：我1979年从福建泉州六中考到北京大学物理系，1989年拿到博士学位，然后到中科院半导体所工作。1994年作为访问学者在英国电信实验室呆了一年，经历非常简单。
进入半导体所前10年主要是参加课题组的研究工作，主要是属于跟踪性质的高技术研究项目。从1999年开始独立从事研究工作，面临的最大问题就是选择什么研究方向。当时定向输出微腔激光器是光电子器件研究的热点问题，而对变形圆盘微腔的研究最多，考虑到集成光学是我们实验室的主攻方向，集成光学需要微小的光学器件，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，我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。但当时我们所的工艺条件有限，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，使得我可以以微腔激光器研究作为主要的研究课题专心开展工作。
记者：科学研究成果的取得离不开自主创新精神。近几年来我国一直在大力提倡建设创新型国家，您在实际的研究工作中，对自主创新有哪些认识和体会？结合您的研究经验，您认为怎样才能做到自主创新?
黄永箴：应该说我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。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我说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。但他们的器件都是利用（111）晶面上材料用解理或选择生长方法制作的，而我们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，我觉得我的方案还是创新的，并一直坚持下来。
我选择的不是一个大的热点，但是一个具有重要应用价值，而且还很不成熟的研究课题，可以说有点幸运。不断获得新的研究成果也使我可以一直坚持做下来，我们已经在IEEE系列刊物上发表了20篇有关正三角形和正方形微腔的研究论文。我跟家人笑说我就是个农民教授，农民的选择比较单纯，也能一直坚持下来。
黄永箴与2010年毕业研究生在黄昆先生像前合影
记者：您除了自己做学术研究之外，也带博士生，而且您的学生屡次获奖，您在人才培养和学术团队建设方面有哪些成功的经验？
黄永箴：我带研究生与做学术研究是结合在一起的。我的第一个研究生国伟华是1999年开始进实验室工作的，他为我们实验室的研究特别是后来的研究生起了很好的带头作用。他获得了中国科学院院长奖和优秀博士论文。我带的从事光学微腔激光器研究的研究生已有5人次获得中国科学院院长奖（今年两个），两次获得中国科学院优秀博士论文，和一次全国百篇优秀博士论文。对于研究生，我管得不是太多，主要是给他们选定研究方向，并尽可能的提供条件。所安排的研究课题较少有直接的器件性能指标，相对宽松的环境使研究生有较大的自由，但我也要经常修正他们的研究想法，什么时候该放手让研究生去做、什么时候该叫停是一个很难的选择。研究生没有觉得有太大的压力，还常给我建议要怎么管理。我的办公室就在研究生学习室的对面，我几乎每天都要多次到他们的学习室打水喝，有问题就可以讨论。选择一个适合自己、有发展前景或重要应用价值的研究课题是非常重要的。这10来年的工作，我们相当于是要把一个比较小的研究课题做大。我没什么特别的兴趣爱好，小的时候喜欢画画，也就是对着图画“照猫画猫”。上大学后基本就不画了。中国有句俗话叫“照猫画虎”，有时我开玩笑说我们搞研究不能“照虎画猫”。
黄永箴，分别于1983年、1986年和1989年在北京大学物理系获得学士、硕士和博士学位，并于1989年进入中科院半导体研究所工作。分别获得杰出青年基金、百人计划、“863”、“973”等基金支持。现为中科院半导体所光电子研发中心主任、集成光电子学国家重点联合实验室学术委员会主任、中科院半导体所学术委员会副主任。重点研究方向是光学微腔的模式特性并研制微腔激光器。过去几年系统研究了适用于光子集成的定向输出微腔半导体激光器，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。连续多年获得中科院优秀研究生指导教师奖。他所培养的博士获得全国百篇优秀博士论文一次、中科院优秀博士论文两次和中科院院长优秀奖三次。