CN106058638A - 一种用于输出飞秒脉冲的锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，包括在两解理面之间通过无源脊波导依次连接的半导体饱和吸收体、半导体光放大器、多通道阵列波导光栅和相位延迟波导阵列。本发明提供的锁模激光器无需利用外部脉冲压缩技术即可获得飞秒脉冲输出，具有制作工艺简单、结构紧凑、成本低廉、易于大规模生产等优点。

Description

一种用于输出飞秒脉冲的锁模激光器

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，尤其涉及一种可以实现飞秒脉冲输出的有源-无源单片集成式半导体锁模激光器。

背景技术

飞秒光脉冲自二十世纪末期产生以来由于其脉冲宽度极短(持续时间位于10^-15s量级)、峰值功率极高以及频谱覆盖范围极广等优异特点得到了飞速的发展。比如在基础学科如物理、化学等微观超快领域，由于其运动状态的改变通常发生在飞秒尺度，通常的宏观测量手段无法进行正常的测试分析。然而，飞秒激光器脉冲宽度极短的优点改变了这一现状，在诸如物理、化学和生物等相关领域完成了大量的实验工作，为人类进一步认识微观世界的运动规律提供了强有力的保证。高的峰值功率这一特点则让飞秒脉冲激光器应用于激光受控核聚变、同步辐射加速器以及微纳精细加工等领域。频谱范围广则体现为飞秒脉冲的直接输出与电子束或者其他晶体通过倍频效应，产生了覆盖范围从X射线到太赫兹波这一广阔频谱，可在医疗、生物成像、计量或者精密测量中得到重大的应用。而在传统的通讯领域，飞秒脉冲光源可应用于未来通讯速率高达太赫兹量级的时分和波分复用、光学时钟或者全光恢复等应用中去。

目前，飞秒脉冲的产生主要有多种结构：染料锁模激光器、固体锁模激光器、增益光纤锁模激光器和半导体锁模激光器。作为第一代实现飞秒脉冲的染料锁模激光器，它采用染料作为增益介质，成功的将人类带入飞秒领域。然而受限于染料增益介质的不稳定性，其工作状态亦呈现出不稳定性，因此其实际应用仅限于实验室，具有很大的局限性。第二代飞秒激光器是以掺钛蓝宝石锁模激光器为代表的固体锁模激光器，其可产生短至几飞秒量级的高峰值功率飞秒脉冲，在多个领域等到了广泛的应用。但是其价格昂贵、***庞大、长期稳定性差、功耗大、调试维修复杂等缺点，不适合规模化生产和应用。增益光纤锁模激光器采用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质，与其他成熟光学元器件一起在小型化、低成本、长期稳定性方面更进一步，然而其采用分立元件的结构设置使其激光输出重频低，成本高，限制了其应用范围。

半导体锁模激光器采用直接带隙半导体材料，如GaAs基、InP基材料体系，在同一衬底上利用标准半导体工艺集成增益区和饱和吸收区，实现光脉冲的输出。其具有体积小、功耗低、稳定性好、重复频率高、易于大规模生产等诸多优点。但是传统的半导体锁模激光器受限于模式竞争所带来的增益变窄效应以及增益区自相位调制和增益色散效应所带来的影响，实现飞秒脉冲困难，易出现脉冲***现象。因此，如何避免模式竞争所带来的增益变窄效应和增益区的自相位调制和色散效应是半导体锁模激光器产生飞秒脉冲的关键。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种锁模激光器，无需利用外部脉冲压缩技术即可获得飞秒脉冲输出，具有制作工艺简单、结构紧凑、成本低廉、易于大规模生产等优点。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其为单片集成式半导体芯片，芯片解理面作为飞秒脉冲激光器的反射腔面，从左侧解理面至右侧解理面通过无源脊波导依次连接半导体饱和吸收体、半导体光放大器、多通道阵列波导光栅和相位延迟波导阵列，其中：

半导体饱和吸收体受到反向偏压后，向半导体光放大器施加正向电流，半导体光放大器在正向电流驱动下产生增益光，多通道阵列波导光栅将所述增益光分割至各个通道，相位延迟波导阵列用于使各个通道之间的光程相同，各个通道的增益光在右解理面处反射后，再次进入多通道阵列波导光栅进行合束，合束之后的各通道的增益光进入半导体光放大器进行再次增益，再次增益之后的各通道的增益光进入半导体饱和吸收体，半导体饱和吸收体通过饱和吸收效应将吸收光强弱的模式，光强强的模式则会在饱和吸收效应下具有固定的相位差，这样使得各通道的增益光之间具有固定相位差，具有固定相位差的各通道的增益光从左解理面输出，从而实现飞秒脉冲输出。

进一步，半导体饱和吸收体定义为有源区，即包含多量子阱层，其作用为同步多通道的增益光的波长，使各通道的增益光之间具有固定的相位差。半导体饱和吸收体从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP多量子阱层、InGaAsP上波导限制层、InP上盖层、InGaAs接触层及金属正电极层。

进一步，半导体光放大器定义为有源区，即包含多量子阱层。半导体光放大器从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层，、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP多量子阱层、InGaAsP上波导限制层、InP上盖层、InGaAs接触层及金属正电极层。

进一步，多通道阵列波导光栅定义为无源区，即不包含多量子阱层。其传输特性为单一通道输入(输出)，多通道输出(输入)。多通道阵列波导光栅包括多个输入波导，每个输入波导从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP上波导限制层及InP上盖层。

进一步，相位延迟波导阵列包括多个调相延时线，其与多个输入波导对应，多个调相延时线的物理长度在设计时已经考虑波导色散效应，进而通过设计不同延时线的长度使得所有通道的光学等效腔长一致，进一步考虑到制作工艺等会引入随机误差，可在其工作时施加正向电流，通过自由载流子色散效应改变折射率微调不同通道的相位。

进一步，多个调相延时线的尾端处于右解理面，并且多个调相延时线的镀有高反膜，从而使得各通道的增益光在右解理面处反射。

进一步，每个调相延时线从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP上波导限制层、InP上盖层、InGaAs接触层及金属正电极层。

进一步，半导体饱和吸收体、半导体光放大器、多通道阵列波导光栅和相位延迟波导阵列通过无源脊波导连接。

进一步，半导体饱和吸收体、半导体光放大器、多通道阵列波导光栅和相位延迟波导阵列通过干法刻蚀集成到同一衬底上。

(三)有益效果

本发明提供的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器具有以下优点：

(1)采用单一半导体光放大器作为各个通道的增益介质，可显著降低锁模激光器的功耗和工艺复杂度，避免因使用半导体光放大器阵列为各个通道提供增益时因共同工作而引入的通道之间的热串扰问题，提高器件工作时的稳定性；

(2)采用阵列波导光栅可以避免因为模式竞争所带来的半导体光放大器增益变窄效应，使得半导体光放大器可对飞秒脉冲所包含的各个频率分量进行放大，同时避免所产生的飞秒脉冲在半导体光放大器中传输时的所产生的脉冲***的现象。而锁模激光器所集成的调相延时线阵列则为各个通道提供色散补偿，保证各个频率分量具有相同的光程，从而易于实现飞秒脉冲无啁啾的输出；

(3)采用单片集成式结构，利用自对准工艺降低器件制作的工艺复杂度，消除因采用分立器件而引入的耦合损耗，，具有脉冲重复频率高、脉冲宽度窄、器件工作稳定性高、体积小、工作能耗低、易于批量生产等优点。

附图说明

图1是本发明提供的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例中模激光器有源区的材料外延结构；

图3是本发明实施例中光器无源区的材料外延结构；

图4是本发明实施例中锁模激光器的纵向切面结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1、2、3、4所示的实施例。本发明实施例提出一种工作于1550nm通讯波长附近，脉冲输出预计在300fs左右的InP基单片集成式半导体飞秒脉冲锁模激光器的设计方案，包括半导体饱和吸收体1、半导体光放大器2、1×32通道阵列波导光栅3和调相延时线4。它们都通过标准半导体有源/无源对接工艺集成在同一InP衬底上。

在本实施例中的半导体饱和吸收体1，其材料外延结构相同于半导体光放大器2。具体材料构成为一InP衬底层6、一n-InP缓冲层7、一InGaAsP下限制层8，一多量子阱有源层9、一InGaAsP上限制层10，一p-InP盖层11，一p-InGaAs欧姆接触层12，参见附图2。半导体饱和吸收体1工作时施加反向偏压，使其工作于反向吸收状态。

在本实施例中的半导体光放大器2，其材料外延结构相同于半导体饱和吸收体1，参见图2。半导体光放大器2工作时施加正向电流，使其工作于阈值之上，为飞秒脉冲激光器的每个通道提供增益，保证激射波长的稳定性。

在本实施例中的1×32通道阵列波导光栅3，其材料外延结构为一InP衬底层6、一n-InP缓冲层7、一InGaAsP下限制层8，一InGaAsP上限制层10，一p-InP盖层11，参见图3。其中心波长同半导体光放大器的增益谱中心波长相当，如本发明实施例中为1550nm。阵列波导光栅的通道数目为32个，两个通道间的波长间隔设定为50GHz，对应0.4nm。通道传输谱的1-dB带宽为0.06nm或者更窄，确保实现单模激射。

在本实施例中的调相延时线4，其材料外延结构相同于阵列波导光栅3，参见附图3。其通过设计弯曲波导的弯曲程度来补偿不同波长在波导中传输时由于色散效应所引入的光程差，使得所有波长都能同时到达饱和吸收体1部分，避免啁啾。顶部所加电极则是利用自由载流子色散效应来通过加电来微调由于工艺误差所带来的偏差。

在本实施例中，衬底通过标准半导体工艺中的减薄、抛光、蒸镀负电极等工艺共用同一金属负电极5。金属正电极13则通过选择性湿法腐蚀工艺，将无源区阵列波导光栅3上的金属正电极去除，无源区调相延时线4、有源区半导体饱和吸收体1和半导体光放大器2上的金属正电极保留。

单片集成式半导体飞秒脉冲锁模激光器的腔面由自然解理面形成，需要时可在相位延迟线一端镀高反膜，实现共同输出端功率输出的最大化。

本发明工作时：

对半导体饱和吸收体1施加反向偏压，半导体饱和吸收体1受到反向偏压后，对半导体光放大器2注入正向电流，使得半导体光放大器2达到激射条件，产生增益光，增益光的中心波长位于器件设定的工作波长附近，如本发明实施例中为1550nm附近。

半导体光放大器2产生的增益光进入1×32通道阵列波导光栅3后，1×32通道阵列波导光栅3将增益光分割至该32通道，本发明实施例中32个通道间隔为200GHz，相邻通道之间的中心波长差为0.06nm(由于材料均匀性和制作工艺的影响，各通道中心波长和通道间隔略有偏移)。

1×32通道阵列波导光栅3输出的各通道增益光进入相位延迟波导阵列，相位延迟波导阵列具有与通道一一对应的多个调相延时线4，调相延时线4通过改变各个通道的物理腔长，实现各个通道的光模式具有相同的光程，各通道的增益光传输至调相延时线4的尾部(即右解理面)，经过尾部的全反膜反射，增益光沿光路返回至1×32通道阵列波导光栅3进行合束，即1×32通道阵列波导光栅3将这32路增益光复用至同一输出波导，进入半导体光放大器2再次放大，之后进入饱和吸收体1。

对饱和吸收体1在反向偏压的作用下处于饱和吸收状态，利用饱和吸收体特有的饱和吸收特性，使得这32路增益光波长具有恒定的相位差，从而实现飞秒脉冲输出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，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间依次形成有半导体饱和吸收体、半导体光放大器、多通道阵列波导光栅和相位延迟波导阵列，其中，

所述半导体饱和吸收体受到反向偏压后，向所述半导体光放大器施加正向电流，所述半导体光放大器在正向电流驱动下产生增益光，所述多通道阵列波导光栅将所述增益光分割至各个通道，所述相位延迟波导阵列用于使各个通道之间的光程相同，各个通道的增益光在右解理面处反射后，再次进入多通道阵列波导光栅进行合束，合束之后的各通道的增益光进入半导体光放大器进行再次增益，再次增益之后的各通道的增益光进入半导体饱和吸收体，半导体饱和吸收体使得各通道的增益光之间具有固定相位差，具有固定相位差的各通道的增益光从所述左解理面输出，从而实现飞秒脉冲输出。

2.根据权利要求1所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于：所述半导体饱和吸收体从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP多量子阱层、InGaAsP上波导限制层、InP上盖层、InGaAs接触层及金属正电极层。

3.根据权利要求1所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于，所述半导体光放大器从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层，、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP多量子阱层、InGaAsP上波导限制层、InP上盖层、InGaAs接触层及金属正电极层。

4.根据权利要求1所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于，所述多通道阵列波导光栅包括多个输入波导，每个输入波导从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP上波导限制层及InP上盖层。

5.根据权利要求4所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于，所述相位延迟波导阵列包括多个调相延时线，其与多个输入波导对应，多个调相延时线具有不同的长度，以使得多个输入波导的光学等效腔长一致。

6.根据权利要求5所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于，所述多个调相延时线的尾端处于右解理面，并且多个调相延时线的镀有高反膜，从而使得各通道的增益光在右解理面处反射。

7.根据权利要求5所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于，每个调相延时线从下到上依次包括：金属负电极层、InP衬底层、InP下缓冲层、InGaAsP下波导限制层、InGaAsP上波导限制层、InP上盖层、InGaAs接触层及金属正电极层。

8.根据权利要求1所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于，所述半导体饱和吸收体、半导体光放大器、多通道阵列波导光栅和相位延迟波导阵列通过无源脊波导连接。

9.根据权利要求1所述的用于输出飞秒脉冲的锁模激光器，其特征在于，所述半导体饱和吸收体、半导体光放大器、多通道阵列波导光栅和相位延迟波导阵列通过干法刻蚀集成到同一衬底上。