一種用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，包括在兩解理面之間通過無源脊波導依次連接的半導體飽和吸收體、半導體光放大器、多通道陣列波導光柵和相位延遲波導陣列。本發(fā)明提供的鎖模激光器無需利用外部脈沖壓縮技術(shù)即可獲得飛秒脈沖輸出，具有制作工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。
【專利說明】
一種用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導體光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可以實現(xiàn)飛秒脈沖輸出的有源-無源單片集成式半導體鎖模激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]飛秒光脈沖自二十世紀末期產(chǎn)生以來由于其脈沖寬度極短(持續(xù)時間位于10—15S量級)、峰值功率極高以及頻譜覆蓋范圍極廣等優(yōu)異特點得到了飛速的發(fā)展。比如在基礎(chǔ)學科如物理、化學等微觀超快領(lǐng)域，由于其運動狀態(tài)的改變通常發(fā)生在飛秒尺度，通常的宏觀測量手段無法進行正常的測試分析。然而，飛秒激光器脈沖寬度極短的優(yōu)點改變了這一現(xiàn)狀，在諸如物理、化學和生物等相關(guān)領(lǐng)域完成了大量的實驗工作，為人類進一步認識微觀世界的運動規(guī)律提供了強有力的保證。高的峰值功率這一特點則讓飛秒脈沖激光器應(yīng)用于激光受控核聚變、同步輻射加速器以及微納精細加工等領(lǐng)域。頻譜范圍廣則體現(xiàn)為飛秒脈沖的直接輸出與電子束或者其他晶體通過倍頻效應(yīng)，產(chǎn)生了覆蓋范圍從X射線到太赫茲波這一廣闊頻譜，可在醫(yī)療、生物成像、計量或者精密測量中得到重大的應(yīng)用。而在傳統(tǒng)的通訊領(lǐng)域，飛秒脈沖光源可應(yīng)用于未來通訊速率高達太赫茲量級的時分和波分復用、光學時鐘或者全光恢復等應(yīng)用中去。
[0003]目前，飛秒脈沖的產(chǎn)生主要有多種結(jié)構(gòu):染料鎖模激光器、固體鎖模激光器、增益光纖鎖模激光器和半導體鎖模激光器。作為第一代實現(xiàn)飛秒脈沖的染料鎖模激光器，它采用染料作為增益介質(zhì)，成功的將人類帶入飛秒領(lǐng)域。然而受限于染料增益介質(zhì)的不穩(wěn)定性，其工作狀態(tài)亦呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性，因此其實際應(yīng)用僅限于實驗室，具有很大的局限性。第二代飛秒激光器是以摻鈦藍寶石鎖模激光器為代表的固體鎖模激光器，其可產(chǎn)生短至幾飛秒量級的高峰值功率飛秒脈沖，在多個領(lǐng)域等到了廣泛的應(yīng)用。但是其價格昂貴、系統(tǒng)龐大、長期穩(wěn)定性差、功耗大、調(diào)試維修復雜等缺點，不適合規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。增益光纖鎖模激光器采用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)，與其他成熟光學元器件一起在小型化、低成本、長期穩(wěn)定性方面更進一步，然而其采用分立元件的結(jié)構(gòu)設(shè)置使其激光輸出重頻低，成本高，限制了其應(yīng)用范圍。
[0004]半導體鎖模激光器采用直接帶隙半導體材料，如GaAs基、InP基材料體系，在同一襯底上利用標準半導體工藝集成增益區(qū)和飽和吸收區(qū)，實現(xiàn)光脈沖的輸出。其具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、重復頻率高、易于大規(guī)模生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。但是傳統(tǒng)的半導體鎖模激光器受限于模式競爭所帶來的增益變窄效應(yīng)以及增益區(qū)自相位調(diào)制和增益色散效應(yīng)所帶來的影響，實現(xiàn)飛秒脈沖困難，易出現(xiàn)脈沖分裂現(xiàn)象。因此，如何避免模式競爭所帶來的增益變窄效應(yīng)和增益區(qū)的自相位調(diào)制和色散效應(yīng)是半導體鎖模激光器產(chǎn)生飛秒脈沖的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一)要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明的主要目的是提供一種鎖模激光器，無需利用外部脈沖壓縮技術(shù)即可獲得飛秒脈沖輸出，具有制作工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。
[0007](二)技術(shù)方案
[0008]為達到上述目的，本發(fā)明提出用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其為單片集成式半導體芯片，芯片解理面作為飛秒脈沖激光器的反射腔面，從左側(cè)解理面至右側(cè)解理面通過無源脊波導依次連接半導體飽和吸收體、半導體光放大器、多通道陣列波導光柵和相位延遲波導陣列，其中:
[0009]半導體飽和吸收體受到反向偏壓后，向半導體光放大器施加正向電流，半導體光放大器在正向電流驅(qū)動下產(chǎn)生增益光，多通道陣列波導光柵將所述增益光分割至各個通道，相位延遲波導陣列用于使各個通道之間的光程相同，各個通道的增益光在右解理面處反射后，再次進入多通道陣列波導光柵進行合束，合束之后的各通道的增益光進入半導體光放大器進行再次增益，再次增益之后的各通道的增益光進入半導體飽和吸收體，半導體飽和吸收體通過飽和吸收效應(yīng)將吸收光強弱的模式，光強強的模式則會在飽和吸收效應(yīng)下具有固定的相位差，這樣使得各通道的增益光之間具有固定相位差，具有固定相位差的各通道的增益光從左解理面輸出，從而實現(xiàn)飛秒脈沖輸出。
[0010]進一步，半導體飽和吸收體定義為有源區(qū)，即包含多量子阱層，其作用為同步多通道的增益光的波長，使各通道的增益光之間具有固定的相位差。半導體飽和吸收體從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP多量子講層、InGaAsP上波導限制層、InP上蓋層、InGaAs接觸層及金屬正電極層。
[0011]進一步，半導體光放大器定義為有源區(qū)，即包含多量子阱層。半導體光放大器從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層，、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP多量子講層、InGaAsP上波導限制層、InP上蓋層、InGaAs接觸層及金屬正電極層。
[0012]進一步，多通道陣列波導光柵定義為無源區(qū)，即不包含多量子阱層。其傳輸特性為單一通道輸入(輸出)，多通道輸出(輸入)。多通道陣列波導光柵包括多個輸入波導，每個輸入波導從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP上波導限制層及InP上蓋層。
[0013]進一步，相位延遲波導陣列包括多個調(diào)相延時線，其與多個輸入波導對應(yīng)，多個調(diào)相延時線的物理長度在設(shè)計時已經(jīng)考慮波導色散效應(yīng)，進而通過設(shè)計不同延時線的長度使得所有通道的光學等效腔長一致，進一步考慮到制作工藝等會引入隨機誤差，可在其工作時施加正向電流，通過自由載流子色散效應(yīng)改變折射率微調(diào)不同通道的相位。
[0014]進一步，多個調(diào)相延時線的尾端處于右解理面，并且多個調(diào)相延時線的鍍有高反膜，從而使得各通道的增益光在右解理面處反射。
[0015]進一步，每個調(diào)相延時線從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP上波導限制層、InP上蓋層、InGaAs接觸層及金屬正電極層。
[0016]進一步，半導體飽和吸收體、半導體光放大器、多通道陣列波導光柵和相位延遲波導陣列通過無源脊波導連接。
[0017]進一步，半導體飽和吸收體、半導體光放大器、多通道陣列波導光柵和相位延遲波導陣列通過干法刻蝕集成到同一襯底上。
[0018](三)有益效果
[0019]本發(fā)明提供的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器具有以下優(yōu)點:
[0020](I)采用單一半導體光放大器作為各個通道的增益介質(zhì)，可顯著降低鎖模激光器的功耗和工藝復雜度，避免因使用半導體光放大器陣列為各個通道提供增益時因共同工作而引入的通道之間的熱串擾問題，提高器件工作時的穩(wěn)定性；
[0021](2)采用陣列波導光柵可以避免因為模式競爭所帶來的半導體光放大器增益變窄效應(yīng)，使得半導體光放大器可對飛秒脈沖所包含的各個頻率分量進行放大，同時避免所產(chǎn)生的飛秒脈沖在半導體光放大器中傳輸時的所產(chǎn)生的脈沖分裂的現(xiàn)象。而鎖模激光器所集成的調(diào)相延時線陣列則為各個通道提供色散補償，保證各個頻率分量具有相同的光程，從而易于實現(xiàn)飛秒脈沖無啁啾的輸出；
[0022](3)采用單片集成式結(jié)構(gòu)，利用自對準工藝降低器件制作的工藝復雜度，消除因采用分立器件而引入的耦合損耗，，具有脈沖重復頻率高、脈沖寬度窄、器件工作穩(wěn)定性高、體積小、工作能耗低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明提供的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實施例中模激光器有源區(qū)的材料外延結(jié)構(gòu)；
[0025]圖3是本發(fā)明實施例中光器無源區(qū)的材料外延結(jié)構(gòu)；
[0026]圖4是本發(fā)明實施例中鎖模激光器的縱向切面結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0028]請參閱圖1、2、3、4所示的實施例。本發(fā)明實施例提出一種工作于1550nm通訊波長附近，脈沖輸出預計在300fs左右的InP基單片集成式半導體飛秒脈沖鎖模激光器的設(shè)計方案，包括半導體飽和吸收體1、半導體光放大器2、I X 32通道陣列波導光柵3和調(diào)相延時線4。它們都通過標準半導體有源/無源對接工藝集成在同一 InP襯底上。
[0029]在本實施例中的半導體飽和吸收體I，其材料外延結(jié)構(gòu)相同于半導體光放大器2。具體材料構(gòu)成為一 InP襯底層6、一n-1nP緩沖層7、一 InGaAsP下限制層8，一多量子講有源層9、一 InGaAsP上限制層10，一 p-1nP蓋層11，一 P-1nGaAs歐姆接觸層12，參見附圖2。半導體飽和吸收體I工作時施加反向偏壓，使其工作于反向吸收狀態(tài)。
[0030]在本實施例中的半導體光放大器2，其材料外延結(jié)構(gòu)相同于半導體飽和吸收體I，參見圖2。半導體光放大器2工作時施加正向電流，使其工作于閾值之上，為飛秒脈沖激光器的每個通道提供增益，保證激射波長的穩(wěn)定性。
[0031 ]在本實施例中的I X 32通道陣列波導光柵3，其材料外延結(jié)構(gòu)為一InP襯底層6、一n-1nP緩沖層7、一InGaAsP下限制層8，一InGaAsP上限制層10，一p_InP蓋層11，參見圖3。其中心波長同半導體光放大器的增益譜中心波長相當，如本發(fā)明實施例中為1550nm。陣列波導光柵的通道數(shù)目為32個，兩個通道間的波長間隔設(shè)定為50GHz，對應(yīng)0.4nm。通道傳輸譜的Ι-dB帶寬為0.06nm或者更窄，確保實現(xiàn)單模激射。
[0032]在本實施例中的調(diào)相延時線4，其材料外延結(jié)構(gòu)相同于陣列波導光柵3，參見附圖3。其通過設(shè)計彎曲波導的彎曲程度來補償不同波長在波導中傳輸時由于色散效應(yīng)所引入的光程差，使得所有波長都能同時到達飽和吸收體I部分，避免啁啾。頂部所加電極則是利用自由載流子色散效應(yīng)來通過加電來微調(diào)由于工藝誤差所帶來的偏差。
[0033]在本實施例中，襯底通過標準半導體工藝中的減薄、拋光、蒸鍍負電極等工藝共用同一金屬負電極5。金屬正電極13則通過選擇性濕法腐蝕工藝，將無源區(qū)陣列波導光柵3上的金屬正電極去除，無源區(qū)調(diào)相延時線4、有源區(qū)半導體飽和吸收體I和半導體光放大器2上的金屬正電極保留。
[0034]單片集成式半導體飛秒脈沖鎖模激光器的腔面由自然解理面形成，需要時可在相位延遲線一端鍍高反膜，實現(xiàn)共同輸出端功率輸出的最大化。
[0035]本發(fā)明工作時:
[0036]對半導體飽和吸收體I施加反向偏壓，半導體飽和吸收體I受到反向偏壓后，對半導體光放大器2注入正向電流，使得半導體光放大器2達到激射條件，產(chǎn)生增益光，增益光的中心波長位于器件設(shè)定的工作波長附近，如本發(fā)明實施例中為1550nm附近。
[0037]半導體光放大器2產(chǎn)生的增益光進入I X 32通道陣列波導光柵3后，I X 32通道陣列波導光柵3將增益光分割至該32通道，本發(fā)明實施例中32個通道間隔為200GHz，相鄰通道之間的中心波長差為0.06nm(由于材料均勻性和制作工藝的影響，各通道中心波長和通道間隔略有偏移)。
[0038]I X 32通道陣列波導光柵3輸出的各通道增益光進入相位延遲波導陣列，相位延遲波導陣列具有與通道一一對應(yīng)的多個調(diào)相延時線4，調(diào)相延時線4通過改變各個通道的物理腔長，實現(xiàn)各個通道的光模式具有相同的光程，各通道的增益光傳輸至調(diào)相延時線4的尾部(即右解理面)，經(jīng)過尾部的全反膜反射，增益光沿光路返回至I X 32通道陣列波導光柵3進行合束，S卩I X 32通道陣列波導光柵3將這32路增益光復用至同一輸出波導，進入半導體光放大器2再次放大，之后進入飽和吸收體I。
[0039]對飽和吸收體I在反向偏壓的作用下處于飽和吸收狀態(tài)，利用飽和吸收體特有的飽和吸收特性，使得這32路增益光波長具有恒定的相位差，從而實現(xiàn)飛秒脈沖輸出。
[0040]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，包括左解理面和右解理面，所述左解理面和右解理面之間依次形成有半導體飽和吸收體、半導體光放大器、多通道陣列波導光柵和相位延遲波導陣列，其中， 所述半導體飽和吸收體受到反向偏壓后，向所述半導體光放大器施加正向電流，所述半導體光放大器在正向電流驅(qū)動下產(chǎn)生增益光，所述多通道陣列波導光柵將所述增益光分割至各個通道，所述相位延遲波導陣列用于使各個通道之間的光程相同，各個通道的增益光在右解理面處反射后，再次進入多通道陣列波導光柵進行合束，合束之后的各通道的增益光進入半導體光放大器進行再次增益，再次增益之后的各通道的增益光進入半導體飽和吸收體，半導體飽和吸收體使得各通道的增益光之間具有固定相位差，具有固定相位差的各通道的增益光從所述左解理面輸出，從而實現(xiàn)飛秒脈沖輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于:所述半導體飽和吸收體從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP多量子講層、InGaAsP上波導限制層、InP上蓋層、InGaAs接觸層及金屬正電極層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，所述半導體光放大器從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層，、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP多量子講層、InGaAsP上波導限制層、InP上蓋層、InGaAs接觸層及金屬正電極層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，所述多通道陣列波導光柵包括多個輸入波導，每個輸入波導從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP上波導限制層及InP上蓋層。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，所述相位延遲波導陣列包括多個調(diào)相延時線，其與多個輸入波導對應(yīng)，多個調(diào)相延時線具有不同的長度，以使得多個輸入波導的光學等效腔長一致。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，所述多個調(diào)相延時線的尾端處于右解理面，并且多個調(diào)相延時線的鍍有高反膜，從而使得各通道的增益光在右解理面處反射。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，每個調(diào)相延時線從下到上依次包括:金屬負電極層、InP襯底層、InP下緩沖層、InGaAsP下波導限制層、InGaAsP上波導限制層、InP上蓋層、InGaAs接觸層及金屬正電極層。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，所述半導體飽和吸收體、半導體光放大器、多通道陣列波導光柵和相位延遲波導陣列通過無源脊波導連接。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于輸出飛秒脈沖的鎖模激光器，其特征在于，所述半導體飽和吸收體、半導體光放大器、多通道陣列波導光柵和相位延遲波導陣列通過干法刻蝕集成到同一襯底上。
【文檔編號】H01S5/065GK106058638SQ201610384022
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】劉松濤, 張瑞康, 陸丹, 吉晨
【申請人】中國科學院半導體研究所