基于雙模正方形微腔激光器的可調(diào)諧光頻梳的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信、半導體光電子學和微波光子學領域，主要涉及一種基于雙模正方形微腔激光器的可調(diào)諧光頻梳，更具體的是本發(fā)明提出了結(jié)構簡單、尺寸小、間距可調(diào)的雙模正方形微腔激光器，以及基于此的可調(diào)諧光頻梳產(chǎn)生系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]以回音壁模式微盤激光器為代表的光學微腔激光器是利用側(cè)壁全反射來實現(xiàn)對光場的強限制，腔中產(chǎn)生了品質(zhì)因子極高的回音壁模式，具有很小的模式體積、低功耗、高速率的特點，易于集成。正方形微腔激光器中，基橫模和一階橫模都具有較大的品質(zhì)因子，可實現(xiàn)穩(wěn)定的雙橫模激射。而且相比圓形或者其它多邊形微腔激光器，正方形微腔激光器具有更均勻的場分布，載流子利用率高，空間燒孔效應小，可以獲得較高的斜率效率和輸出功率。與獨立的兩個激光器拍頻相比，雙模正方形激光器的兩個激射模式產(chǎn)生于同一個正方形腔內(nèi)，通過拍頻可獲得穩(wěn)定性好、線寬較窄的微波信號，受外界環(huán)境影響較小。其結(jié)構簡單，制作工藝簡單，尺寸小，易于集成。
[0003]利用雙模正方形微腔激光器微波頻率穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可以將其作為光頻梳的種子源，通過高非線性光纖內(nèi)級聯(lián)四波混頻效應展寬獲得頻率間隔穩(wěn)定的光頻梳。光頻梳技術在光通信、高精度光學測量、微波信號處理以及光學原子鐘等領域都有重要應用價值和發(fā)展前景。相比于利用鎖模激光器等其它產(chǎn)生光頻梳的方法，以雙模正方形微腔激光器為種子源產(chǎn)生光頻梳的系統(tǒng)結(jié)構簡單、體積小、成本低。而且光頻梳的梳齒間隔由雙模正方形激光器的雙模間隔決定，可以從幾GHz覆蓋到幾百GHz。但利用這種雙模激光器產(chǎn)生可調(diào)諧光頻梳面臨一個問題:如何實現(xiàn)間距可調(diào)諧的雙模正方形微腔激光器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種基于雙模正方形微腔激光器的可調(diào)諧光頻梳，利用特殊電注入窗口形成不均勻的載流子分布或者溫度分布，其導致的不均勻折射率分布會改變雙模間距，可通過調(diào)節(jié)注入電流實現(xiàn)間距可調(diào)的雙橫模激射，并基于該激光器利用高非線性光纖內(nèi)級聯(lián)四波混頻效應展寬獲得頻率間隔穩(wěn)定的可調(diào)諧光頻梳。相比于其它雙模激光器，本發(fā)明提供的間距可調(diào)的雙模激光器實現(xiàn)方案，只需一個正方形微腔，具有尺寸更小、結(jié)構簡單、制作工藝簡單、易于集成、微波頻率穩(wěn)定等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明提供一種基于雙模正方形微腔激光器的可調(diào)諧光頻梳，包括:雙模正方形微腔激光器1，用于產(chǎn)生間距可調(diào)的雙模激射；光纖放大器2，用于將光信號放大；高非線性光纖3，利用其級聯(lián)四波混頻效應展寬獲得光頻梳。其中雙模正方形微腔激光器I包括:襯底11 ;正方形微腔12 ;輸出波導13 ;電注入窗口 14，形成于正方形微腔12頂部，非注入?yún)^(qū)域由介質(zhì)層15覆蓋；p型和η型電極。
[0006]正方形微腔激光器的基橫模和一階橫模都具有較大的品質(zhì)因子，模式間距小，其模式結(jié)構決定了其易實現(xiàn)穩(wěn)定的雙橫模激射。利用方環(huán)形等特殊形狀的電注入窗口使得其載流子、溫度分布不均勻，形成不均勻的折射率分布。由于在該方環(huán)形區(qū)域基橫模的光場分布較強，而一階橫模分布較弱，折射率分布差對兩模式波長產(chǎn)生不同影響，從而改變雙模間距。不同注入電流下，折射率分布差不同，因此可通過調(diào)節(jié)注入電流實現(xiàn)間距可調(diào)的雙橫模正方形激光器。雙橫模正方形激光器產(chǎn)生的光信號放大后經(jīng)過高非線性光纖內(nèi)級聯(lián)四波混頻效應展寬可獲得頻率間隔穩(wěn)定的可調(diào)諧光頻梳。
[0007]本發(fā)明的有益效果是，利用方環(huán)形等特殊形狀的電注入窗口，通過調(diào)節(jié)注入電流實現(xiàn)間距可調(diào)的雙橫模正方形激光器；其產(chǎn)生的光信號放大后經(jīng)過高非線性光纖內(nèi)級聯(lián)四波混頻效應展寬可獲得可調(diào)諧光頻梳，也可以經(jīng)高速探測器產(chǎn)生可調(diào)諧微波信號，為可調(diào)諧光頻梳、可調(diào)諧微波信號源提供了結(jié)構更簡單、尺寸更小的解決方案。
【附圖說明】
[0008]為了更清楚地介紹本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點，本說明將結(jié)合實例及附圖來進一步說明，其中:
[0009]圖1是基于雙模正方形微腔激光器產(chǎn)生可調(diào)諧光頻梳的系統(tǒng)示意圖；
[0010]圖2是正方形微腔中基橫模、一階橫模波長間距Δλ隨邊長a的變化情況；
[0011 ]圖3是基橫模、一階橫模波長間距與電注入窗口區(qū)域、非注入?yún)^(qū)域折射率差Λ η的關系，其中正方形邊長a為30 μπι ;
[0012]圖4是本發(fā)明提供的實例中雙模正方形微腔激光器的功率-電流、電壓-電流曲線；
[0013]圖5是本發(fā)明提供的實例中雙模正方形微腔激光器在注入電流為90mA時的光譜圖，插圖為其精細光譜圖；
[0014]圖6是本發(fā)明提供的實例中雙模正方形微腔激光器雙模間距Λ λ、雙模強度比與注入電流I變化關系曲線；
[0015]圖7是本發(fā)明提供的實例中雙模正方形微腔激光器的微波頻譜圖；
[0016]圖8是本發(fā)明提供的實例基于雙模正方形微腔激光器的可調(diào)諧光頻梳的光譜圖。
【具體實施方式】
[0017]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種基于雙模正方形微腔激光器的可調(diào)諧光頻梳，包括:雙模正方形微腔激光器1，用于產(chǎn)生間距可調(diào)的雙模激射；光纖放大器2，用于將光信號放大；高非線性光纖3，利用其級聯(lián)四波混頻效應展寬獲得光頻梳。雙模正方形微腔激光器I輸出光經(jīng)光纖放大器2放大后，利用高非線性光纖中級聯(lián)四波混頻效應展寬獲得頻率間隔穩(wěn)定的光頻梳，通過調(diào)節(jié)注入電流大小調(diào)節(jié)頻率間距。以下對本實施例基于雙模正方形微腔激光器的可調(diào)諧光頻梳的各部分進行詳細說明。
[0018]間距可調(diào)諧的雙模正方形微腔激光器如圖1上部分所示，包括:襯底11 ;正方形微腔12 ;輸出波導13 ;電注入窗口 14，形成于正方形微腔12頂部，非注入?yún)^(qū)域由介質(zhì)層15覆蓋；Ρ型和η型電極。
[0019]襯底11的材料可以為各種II1-V族材料，如InP和GaAs，可以為IV族材料及其化合物，如S1、Ge和SiC，也可以是IV-VI族化合物、有機半導體材料、藍寶石。正方形微腔激光器12制作在襯底11上，自下而上包括:下限制層121、有源層122和上限制層123。下限制層121和上限制層123的材料可以為InP、AlAs, AlGaN, GaN等II1-V族材料，下限制層121生長或者鍵合在襯底11上。有源層122生長在下限制層121上，材料為InGaAs、InGaAsP, AlGaInAs等量子阱或者量子點材料，作為激光器的增益區(qū)。介質(zhì)層15位于正方形微腔12以及輸出波導13頂部，覆蓋于非電電注入窗口區(qū)域，其材料可以為二氧化硅、氮化硅或者其它絕緣材料。
[0020]正方形微腔12邊長a介于5?100 μ m之間，輸出波導13寬度Wg介于O?a/5之間，其中Wg = O對應于無輸出波導的情況。根據(jù)正方形微腔尺寸設計合理的輸出波導寬度，使其基橫模、一階橫模都具有較大的品質(zhì)因子，實現(xiàn)穩(wěn)定的雙橫模激射。電注入窗口 14可以是但不僅限于方環(huán)形、圓環(huán)形等形狀，其特征在于從該電注入窗口 14注入電流會產(chǎn)生不均勻的載流子分布或者溫度分布，導致不均勻的折射率分布，影響兩個場分布不同的模式波長間距，從而可通過調(diào)節(jié)注入電流大小實現(xiàn)間距可調(diào)的雙模激射。
[0021]在具體制作工藝上，正方形微腔12可以通過干法或者濕法刻蝕等方法制備，或者材料選區(qū)生長方法制備。在正方形微腔12頂部覆蓋介質(zhì)層15，通過干法或者濕法刻蝕形成特殊形狀的電注入窗口 14。而特殊形狀的電注入窗口 14也可以用該類型的圖形電極替代。
[0022]圖2是利用二維有限時域差分方法進行數(shù)值計算得到的完整正方形微腔12中1550nm附近的基橫模、一階橫模波長間距Λ λ隨正方形邊長的變化關系曲線。其中正方形微腔12材料為InP，側(cè)向由0.2 μ m厚的SiNx層和BCB層限制