CN101635431B - 半导体可饱和吸收镜及其制备方法及光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体可饱和吸收镜及其制备方法及光纤激光器。所述半导体可饱和吸收镜包括：衬底；制作在所述衬底上的反射镜及制作在所述反射镜上的吸收层，所述反射镜为由多对高低折射率层构成的布拉格反射镜；所述吸收层包括若干个吸收子层，每一吸收子层同与其晶格匹配的缓冲层交互生长，所述缓冲层为透明半导体层；所述吸收子层的厚度相同。本发明提供的半导体可饱和吸收镜为高一致性宽带高调制深度半导体可饱和吸收镜，通过提高带宽范围内调制深度的一致性，增加了使用带宽，利用半导体可饱和吸收镜来启动锁模从而得到稳定的锁模脉冲输出。

Description

半导体可饱和吸收镜及其制备方法及光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光器件技术领域，特别涉及用于光纤激光器和放大器领域的锁模器件，具体涉及一种半导体可饱和吸收镜及其制备方法及光纤激光器。

背景技术

光纤激光器用半导体激光器作为抽运光源，产生超短脉冲激光。光纤激光器产生的脉冲以放大后的高能量脉冲在工业加工、医疗等领域有非常重要的应用。稀土元素Yb掺杂的飞秒光纤激光器由于其高增益和支持超短脉冲的宽波长带受到重视。最近的超短脉冲在微细加工和医疗中的应用要求稳定的10μJ以上、脉宽＜500fs、重复频率大于100kHz的激光脉冲。

常规的光纤激光器的锁模基于孤子效应，在激光谐振腔内呈反常色散的情况下，光纤中的色散与非线性效应的平衡支持光孤子的产生，光孤子是一种特殊的波包，它特殊的脉冲形状使其在传输的过程中保持脉冲形状和宽度不变。基于孤子效应的锁模(简称孤子锁模)需要快饱和启动机制，能实现振幅调制功能的器件称为可饱和吸收体，它对光的吸收随强度的增加而降低，形成一个窄的净增益窗口，激光腔利用它启动锁模，而这个可饱和吸收体对于脉冲的响应是即时的，称为快饱和吸收启动锁模，例如非线性偏振旋转(NPE)、半导体可饱和吸收镜。但在激光腔内仅仅依赖NPE调整出锁模状态是比较费时的，尤其在高重复频率或者低重复频率的情况下，甚至不能自启动锁模。

半导体可饱和吸收镜作为自启动器件，可不依赖于NPE机制而独立在光纤激光器中锁模。在只装有半导体可饱和吸收镜的光纤激光器中，半导体可饱和吸收镜吸收激光腔内的弱脉冲，而对腔内强脉冲吸收很少，使得腔内只有一个脉冲获得较大增益而发展起来并最终稳定。这种脉冲形成机制不需要色散补偿。

论文“1.5-μm monolithic GaInNAs semiconductor saturable-absorber mode locking of an erbium fiber laser，”(O.G.Okhotnikov，T.Jouhti，J.Konttinen，S.Karirinne，and M._Pessa，Opt.Lett.28，364-366(2003))公开了一种高调制深度的半导体可饱和吸收镜可用于掺铒光纤激光器锁模，脉宽是1.2ps，但该半导体可饱和吸收镜的反射率在布拉格反射镜的反射带宽内有较大凹陷，使得自启动时容易出现调Q现象，从而导致对该半导体可饱和吸收镜的光学破坏。

德国半导体可饱和吸收器件专业公司BATOP生产多种半导体可饱和吸收镜。但其用于光纤激光器锁模的高调制深度的半导体可饱和吸收镜都存在布拉格反射镜的反射带宽内的调制深度不一致的问题，导致可锁模范围窄，并且有易受到光学破坏，寿命短的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种吸收带宽较宽并在其吸收带宽范围内调制深度一致性很高的高调制深度(简称高一致性宽带高调制深度)的半导体可饱和吸收镜及其制备方法。本发明还提供一种实现锁模机制的光纤激光器，其以半导体可饱和吸收镜作为各种腔型光纤激光器的种子脉冲源的锁模机制，以得到稳定的脉冲输出，提高光纤激光器的寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

依照本发明实施方式的一种半导体可饱和吸收镜，其包括：衬底；制作在所述衬底上的反射镜及制作在所述反射镜上的吸收层，

所述反射镜为由多对高低折射率层构成的布拉格反射镜；

所述吸收层包括若干个吸收子层，每一吸收子层同与其晶格匹配的缓冲层交互生长，所述缓冲层为透明半导体层；所述吸收子层的厚度相同。

优选地，每一吸收子层的厚度由所述缓冲层的折射率、吸收子层的折射率实部和虚部、布拉格反射镜的反射带的中心波长来确定。

优选地，所述吸收子层的厚度满足下式：

$n_3(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2-n_3^2)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\α}({\sinh }^2\mathrm{\β}+\cos h^2\mathrm{\β})+$

$+{\mathrm{\κ}}_2(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2+n_3^2)\sinh \mathrm{\β}\cosh \mathrm{\β}({\sin }^2\mathrm{\α}-{\cos }^2\mathrm{\α})-$

$-2n_2{n}_3{\mathrm{\κ}}_2({\sinh }^2\mathrm{\β}+{\cosh }^2\mathrm{\β})=0$

其中，

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2,$ $\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\κ}}_2{d}_2$

n₃为缓冲层的折射率，n₂和k₂分别为吸收子层的折射率实部和虚部，λ为布拉格反射镜的反射带的中心波长，d₂为吸收子层厚度。

优选地，所述衬底的材料为GaAs；

每一对高低折射率层的材料为GaAs和AlAs；

所述吸收子层的材料为InGaAs，与其交互生长的缓冲层的材料为InAlAs。

优选地，所设置的高低折射率层的对数为22～30，每一对高低折射率层为光学厚度为0.25λ的GaAs和光学厚度为0.25λ的AlAs；

所述吸收层的厚度大于量子阱的厚度，吸收层从上至下依次为：

光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.25λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；

其中λ为布拉格反射镜反射带的中心波长，x为InAs的百分比含量，0＜x＜1。

依照本发明另一实施方式的一种半导体可饱和吸收镜的制备方法，该方法包括步骤：

S1，选取衬底；

S2，在所述衬底上生长由多对高低折射率层构成的布拉格反射镜；

S3，在所述布拉格反射镜上依次交互生长吸收子层及与吸收子层晶格匹配的缓冲层以形成吸收层，所生长的吸收子层有若干个，每一吸收子层的厚度相同，所述缓冲层为透明半导体层。

优选地，在步骤S3中，通过所述缓冲层的折射率、吸收子层的折射率实部和虚部、布拉格反射镜的反射带的中心波长来确定每一吸收子层的厚度。

优选地，在步骤S3中，通过求解下式来确定每一所述吸收子层的厚度：

$n_3(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2-n_3^2)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\α}({\sinh }^2\mathrm{\β}+\cos h^2\mathrm{\β})+$

$+{\mathrm{\κ}}_2(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2+n_3^2)\sinh \mathrm{\β}\cosh \mathrm{\β}({\sin }^2\mathrm{\α}-{\cos }^2\mathrm{\α})----\left(1\right)$

$-2n_2{n}_3{\mathrm{\κ}}_2({\sinh }^2\mathrm{\β}+{\cosh }^2\mathrm{\β})=0$

其中，

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2,$ $\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\κ}}_2{d}_2---\left(2\right)$

n₃为缓冲层的折射率，n₂和k₂分别为吸收子层的折射率实部和虚部，λ为布拉格反射镜的反射带的中心波长，d₂为吸收子层厚度

优选地，步骤S1中，选择GaAs作为衬底材料；

步骤S2中，选择GaAs和AlAs作为每一对高低折射率层的材料；

步骤S3中，选择InGaAs作为吸收子层的材料，选择InAlAs作为缓冲层的材料。

优选地，步骤S2中，所设置的高低折射率层的对数为22～30，每一对高低折射率层为光学厚度为0.25λ的GaAs和光学厚度为0.25λ的AlAs；

步骤S3中所生长的吸收层的厚度大于量子阱的厚度，吸收层从上至下依次为：

光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；0.25λIn_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；

In_xGa_1-xAs层的生长温度为250-500摄氏度；

其中λ为布拉格反射镜反射带的中心波长，x为InAs的百分比含量，0＜x＜1。

依照本发明又一实施方式的一种光纤激光器，该光纤激光器包括泵浦源和通过光纤连接形成的振荡腔，所述振荡腔内连接有上述的半导体可饱和吸收镜。

优选地，所述光纤是单模光纤，采用单包层光纤或双包层光纤，所述光纤为正色散光纤、负色散光纤或零色散光纤；

所述振荡腔的腔型为环形腔或线性腔；

振荡腔内还连接有稀土元素铒、镱、钬或铥掺杂的增益光纤；

振荡腔内还连接有光纤式单向器或者体状隔离器。

优选地，所述振荡腔内还包括一端与所述半导体可饱和吸收镜对接的光纤环形器；

所述振荡腔内还包含偏振控制器，所述半导体可饱和吸收镜通过四分之一波片使光返回振荡腔内；

所述光纤激光器的输出直接或通过光纤展宽器或者光栅展宽器展宽后，输入固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器。

依照本发明再一实施方式的一种光纤放大系统，该系统包括上述光纤激光器及与所述光纤激光器连接的固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器，所述光纤激光器的输出直接或通过光纤展宽器或者光栅展宽器展宽后，输入所述固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器。

优选地，所述固体激光放大器采用晶体或陶瓷或玻璃材料；

其中固体激光放大器的腔内还包括偏振控制元件及啁啾反射镜；

所述固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器与光栅压缩系统连接，放大后的脉冲经过光栅压缩系统进行压缩，所述光栅压缩系统包括反射式光栅对、透射式光栅对、体光栅或光纤光栅。

利用本发明提供的半导体可饱和吸收镜及其制备方法及光纤激光器、光纤放大系统，具有以下有益效果：

1)本发明提供的半导体可饱和吸收镜为高一致性宽带高调制深度半导体可饱和吸收镜技术，通过提高带宽范围内调制深度的一致性，增加了使用带宽；

2)本发明提供的高一致性宽带高调制深度半导体可饱和吸收镜及光学激光器，有利于光纤激光器腔内锁模机制的形成，降低了光学破坏的可能性，提高了它的寿命，有效降低了制作成本；

3)本发明提供的高一致性宽带高调制深度半导体可饱和吸收镜，可在光纤激光器内辅助其他机制或单独作为锁模机制锁模，提高了锁模效率，有效降低了人力成本；

4)本发明提供的高一致性宽带高调制深度半导体可饱和吸收镜，降低了光学破坏的可能性，提高了光纤激光器种子源的寿命，同时也导致光纤激光器内整个放大系统寿命的提高，有效降低了成本。

附图说明

图1为本发明半导体可饱和吸收镜的结构图；

图2示出了本发明实施例中半导体可饱和吸收镜的测量反射率；

图3为本发明实施例中光纤激光器的结构图；

图4为本发明实施例中半导体可饱和吸收体锁模的线形腔掺镱光纤激光器脉冲串示意图；

图5为本发明实施例中半导体可饱和吸收体锁模的线形腔掺镱光纤激光器光谱示意图。

具体实施方式

本发明提出的半导体可饱和吸收镜及其制备方法及光纤激光器，结合附图和实施例说明如下。

光纤激光器中在泵浦光注入后，激光开始振荡。由于激光增益介质是宽带的，这里的激光增益介质的宽带指它能对一个较大频率范围内的激光有增益效应，由于模式(频率)之间的拍，在时域噪声序列中总有一个最大的瞬时脉冲。此最大瞬时脉冲被可饱和吸收体捕获，而其他弱小时域脉冲被抑制，从而在激光器腔内形成单个独立的超短脉冲。

半导体可饱和吸收体是利用半导体，例如铟镓砷InGaAs在近红外波段的可饱和吸收特性。铟镓砷InGaAs是砷化铟InAs和砷化镓GaAs混晶构成，其中砷化铟InAs的相对含量决定对所设计波长的吸收带域，也确定了吸收层的折射率的实部和虚部。

吸收层的折射率由下式表示

n＝n₀-iκ.    (3)

n₀和κ为吸收体折射率的实部和虚部。

根据Kramer-Kronig关系，虚部必然带来相移，导致半导体可饱和吸收镜整体反射带的漂移，和吸收不均匀。

现有的半导体可饱和吸收镜，不考虑吸收层带来的相移，导致可饱和吸收镜整体的反射率的起伏，反射率的振荡也代表了调制深度对各个波长的不一致。本发明考虑到吸收层带来的相移，并进行补偿，设计的反射镜的调制深度在布拉格反射镜带宽内一致。

现有的高调制深度半导体可饱和吸收镜在设计时直接增加吸收层厚度，导致相移进一步增大和反射率的更大变化。本发明采用分层吸收技术，包括多个吸收子层，根据吸收子层在结构中的不同电场位置导致的吸收程度和平坦程度不同，分布吸收子层位置，获得一致性很高的反射率和调制深度。

本发明提供的半导体可饱和吸收镜，其包括：衬底；制作在衬底上的反射镜及制作在反射上的吸收层，其中，反射镜为由多对高低折射率层构成的布拉格反射镜，上述每一对高低折射率层中的高低是指折射率的相对高低。这样设计的半导体可饱和吸收镜通过分层吸收，调整吸收子层在结构中的位置并调整吸收子层厚度补偿吸收层带来的相移，使反射镜拥有在布拉格反射镜带宽内呈现高一致性的高调制深度，吸收层的相移是用调整吸收子层的厚度来补偿的；吸收层包括若干个吸收子层，每一吸收子层同与其晶格匹配的透明半导体层交互生长，每一吸收子层的厚度相同。通过采用分层吸收技术，根据吸收子层在结构中的不同电场位置导致的吸收程度和平坦程度不同，分布吸收子层位置，并且调整吸收子层厚度补偿虚部引入的相位漂移。吸收子层厚度可通过公式(1)确定：

$n_3(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2-n_3^2)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\α}({\sinh }^2\mathrm{\β}+\cos h^2\mathrm{\β})+$

$+{\mathrm{\κ}}_2(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2+n_3^2)\sinh \mathrm{\β}\cosh \mathrm{\β}({\sin }^2\mathrm{\α}-{\cos }^2\mathrm{\α})----\left(1\right)$

$-2n_2{n}_3{\mathrm{\κ}}_2({\sinh }^2\mathrm{\β}+{\cosh }^2\mathrm{\β})=0$

其中，

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2,$ $\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\κ}}_2{d}_2---\left(2\right)$

n₃为缓冲层(本实施例为InAlAs)的折射率，n₂和k₂分别为吸收子层(本实施例为InGaAs)折射率实部和虚部，λ指布拉格反射镜的反射带的中心波长，d₂为吸收子层厚度，sin和cos分别正弦和余弦函数，sinh和cosh分别为双曲正弦和双曲余弦函数。

设计的反射镜的调制深度在布拉格反射镜带宽内一致，获得一致性很高的反射率和调制深度。上述这个吸收层的总厚度决定调制深度；吸收子层的位置分布决定调制深度的均匀性；吸收层补偿相移后调整每个子层的厚度进一步决定调制深度的高一致性。整个器件可根据应用波长不同而选择半导体透明材料和吸收子层材料。整个器件可根据应用波长不同而选择半导体透明材料和吸收子层材料的厚度。

如图1所示，根据需要的波段选择相应的半导体吸收层，具体是指选择InAs的相对含量，本实施例中衬底的材料为GaAs；每一对高低折射率层采用的高低折射率材料分别为GaAs和AlAs；吸收子层的材料为InGaAs，与其交互生长的透明半导体层的材料为InAlAs。本实施例中所设置高低折射率层的对数为N对，N优选设置在20～30的范围内，此处N取22对，每一对高低折射率层为光纤厚度为0.25λ的GaAs和光学厚度为0.25λ的AlAs；吸收层的厚度大于量子阱的厚度，导致大于10％的可饱和吸收，吸收层从上至下依次为：光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.25λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；其中x为InAs的百分比含量，0＜x＜1。0.25λ是光学厚度，换算成物理厚度要除以该介质折射率。

本发明所提供的半导体可饱和吸收镜的制备方法，包括步骤：

S1，选取衬底；

S2，在彻底上依次生长多对高低折射率层构成的布拉格反射镜；

S3，在布拉格反射镜上依次交互生长吸收子层及与吸收子层晶格匹配的缓冲层形成吸收层，所生长的吸收子层有若干个，吸收子层的厚度相同，缓冲层为透明半导体层。

如图1所示，本实施例中半导体可饱和吸收镜的制备方法，包括步骤：

步骤S101，制作半绝缘砷化镓GaAs衬底；

步骤S102：生长N(例：22)对AlAs/GaAs的高低折射率层(光学厚度为0.25λ的GaAs，光学厚度为0.25λ的AlAs)。

步骤S103：依次生长光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs，厚度为d₂的In_xGa_1-xAs，光学厚度为0.25λ的In_xAl_1-xAs，厚度为d₂的In_xGa_1-xAs，光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs，其中x为InAs的百分比含量，对应不同的禁带宽度，从而对应不同波长，(从0到1之间的数字)，x的取值可以确定公式(1)中的吸收子层(InGaAs)折射率实部和虚部，为达到匹配效果，缓冲层(InAlAs)中的InAs的百分比含量也取相同的x，从而也可以确定缓冲层(InAlAs)的折射率，进而可以根据x的取值确定吸收子层的光学厚度。例如这个应用在掺镱光纤激光器中的半导体可饱和吸收镜x的取值为0.3，根据公式(1)计算出吸收子层的光纤厚度为0.26λ，即In_0.3Ga_0.7As的厚度调整为0.26λ。In_xGa_1-xAs层的生长温度为250-500度，铟镓砷InGaAs吸收子层及与之搭配的铟铝砷InAlAs用外延法生长。

基于上述原理，本发明提供的利用高一致性高调制深度可饱和吸收体可在光纤激光器中单独或者协助其他方式锁模，以获得稳定的锁模脉冲列，延长光纤激光器寿命。

本发明了还提供了一种光纤激光器，该光纤激光器包括泵浦源，通过光纤连接形成的振荡腔，所述振荡腔内连接有本发明所提供的的半导体可饱和吸收镜，光纤是单模光纤，采用单包层光纤或双包层光纤，所述光纤为正色散光纤、负色散光纤，或零色散光纤；振荡腔的腔型为环形腔或线性腔；振荡腔内还连接有稀土元素铒、镱、钬或铥掺杂的增益光纤；振荡腔内还连接有光纤式单向器或者体状隔离器。

优选地，振荡腔内还包括一端与所述半导体可饱和吸收镜对接的光纤环形器；振荡腔内还包含偏振控制器，所述半导体可饱和吸收镜通过四分之一波片使光返回振荡腔内；光纤激光器输出直接或通过光纤展宽器或者光栅展宽器展宽后，输入固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器。

本发明还提供了一种光纤放大系统，该系统包括本发明所提供的光纤激光器及与所述光纤激光器连接的固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器，所述光纤激光器输出直接或通过光纤展宽器或者光栅展宽器展宽后，输入所述固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器。固体激光放大器采用晶体或陶瓷或玻璃材料；其中固体激光放大器的腔内还包括偏振控制元件及啁啾反射镜；固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器与光栅压缩系统连接，放大后的脉冲经过光栅压缩系统进行压缩，所述光栅压缩系统包括反射式光栅对、透射式光栅对、体光栅或光纤光栅；整个光纤激光器中所用光纤包括稀土离子掺杂光纤、光子晶体光纤、双包层光纤、光通讯用单模光纤、微结构光纤，以及色散补偿光纤。

根据图3所示的利用本发明作为锁模机制的一种示意腔型的光纤激光器(半导体可饱和吸收体锁模的线性腔掺镱光纤激光器原理图)，说明使用本实施例的操作过程。

步骤201：将半导体可饱和吸收镜1、所有光纤、泵浦源2(具体可采用980nm半导体泵浦源)光纤式波分复用器3，增益光纤4，输出耦合器5(具体可采用光纤式耦合输出镜)，光纤式全反镜6熔接在一起，构成如图3所示的线形腔；

步骤202：泵浦源2产生的泵浦激光器通过光纤式波分复用器3耦合入光纤，被稀土元素掺杂的增益光纤4吸收，提供激光振荡必要的增益；

步骤203：通过调节可饱和吸收镜与光纤段面的垂直程度(耦合效率)进行锁模。

上述步骤201中的光纤至少包括光通讯光纤、光子晶体光纤、微结构光纤，以及色散光纤。

当激光器振荡形成输出后，检测输出的光谱，用高速光电探测二极管，可在示波器上看到脉冲列输出如图4，同时也可在光谱仪上看到锁模时候的光谱的形状如图5。

本实施例中的光纤放大系统光纤激光器及与光纤激光器连接的固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器，

该光纤激光器包括泵浦源和通过光纤连接形成的振荡腔，振荡腔内连接有半导体可饱和吸收镜，半导体可饱和吸收镜包括：衬底；制作在衬底上的反射镜及制作在反射镜上的吸收层，反射镜包括依次设置的若干对高低折射率层构成布拉格反射镜；吸收层包括若干个吸收子层，每一吸收子层同与其晶格匹配的透明半导体层交互生长；光纤激光器的输出直接或通过光纤展宽器或者光栅展宽器展宽后，输入所述固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器。

优选地，固体激光放大器采用晶体或陶瓷或玻璃材料；其中固体激光放大器的腔内还包括偏振控制元件及啁啾反射镜；固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器与光栅压缩系统连接，放大后的脉冲经过光栅压缩系统进行压缩，光栅压缩系统包括反射式光栅对、透射式光栅对、体光栅或光纤光栅。

本发明利用分层吸收技术，根据吸收子层在结构中的不同电场位置导致的吸收程度和平坦程度不同，分布吸收子层的位置。本发明还利用调整吸收层厚度来补偿虚部引入的相位漂移。常规的无补偿无分层吸收技术的半导体可饱和吸收镜在带宽内没有一致性，导致锁模带宽窄，容易光学破坏，寿命短。本发明可以很好地改善上述问题。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种半导体可饱和吸收镜，其包括：衬底；制作在所述衬底上的反射镜及制作在所述反射镜上的吸收层，其特征在于，

所述反射镜为由多对高低折射率层构成的布拉格反射镜；

所述吸收层包括若干个吸收子层，每一吸收子层同与其晶格匹配的缓冲层交互生长，所述缓冲层为透明半导体层；所述吸收子层的厚度相同；

所述吸收层的厚度大于量子阱的厚度，吸收层从上至下依次为：

光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.25λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；

其中λ为布拉格反射镜反射带的中心波长，x为InAs的百分比含量，0＜x＜1，d₂为吸收子层厚度；

每一所述吸收子层的厚度由所述缓冲层的折射率、吸收子层的折射率实部和虚部、布拉格反射镜的反射带的中心波长来确定；

所述吸收子层的厚度满足下式：

$n_3(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2-n_3^2)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\α}({\sinh }^2\mathrm{\β}+{\cosh }^2\mathrm{\β})+$

$+{\mathrm{\κ}}_2(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2+n_3^2)\sinh \mathrm{\β}\cosh \mathrm{\β}({\sin }^2\mathrm{\α}-{\cos }^2\mathrm{\α})-$

$-2n_2{n}_3{\mathrm{\κ}}_2({\sinh }^2\mathrm{\β}+{\cosh }^2\mathrm{\β})=0$

其中，

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2,$ $\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\κ}}_2{d}_2$

n₃为缓冲层的折射率，n₂和k₂分别为吸收子层的折射率实部和虚部，λ为布拉格反射镜的反射带的中心波长，d₂为吸收子层厚度。

2.根据权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜，其特征在于，

所述衬底的材料为GaAs；

每一对高低折射率层的材料为GaAs和AlAs；

所述吸收子层的材料为InGaAs，与其交互生长的缓冲层的材料InAlAs。

3.根据权利要求2所述的半导体可饱和吸收镜，其特征在于，

所设置的高低折射率层的对数为22～30，每一对高低折射率层为光学厚度为0.25λ的GaAs和光学厚度为0.25λ的AlAs。

4.一种半导体可饱和吸收镜的制备方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1，选取衬底；

S2，在所述衬底上生长由多对高低折射率层构成的布拉格反射镜；

S3，在所述布拉格反射镜上依次交互生长吸收子层及与吸收子层晶格匹配的缓冲层以形成吸收层，所生长的吸收子层有若干个，每一吸收子层的厚度相同，所述缓冲层为透明半导体层；

步骤S3中所生长的吸收层的厚度大于量子阱的厚度，吸收层从上至下依次为：

光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；0.25λIn_xAl_1-xAs；厚度为d₂的In_xGa_1-xAs；光学厚度为0.125λ的In_xAl_1-xAs；

In_xGa_1-xAs层的生长温度为250-500摄氏度；

其中λ为布拉格反射镜反射带的中心波长，x为InAs的百分比含量，0＜x＜1，d₂为吸收子层厚度；在步骤S3中，通过所述缓冲层的折射率、吸收子层的折射率实部和虚部、布拉格反射镜的反射带的中心波长来确定每一吸收子层的厚度；。

通过求解下式来确定每一吸收子层的厚度：

$n_3(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2-n_3^2)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\α}({\sinh }^2\mathrm{\β}+{\cosh }^2\mathrm{\β})+$

$+{\mathrm{\κ}}_2(n_2^2+{\mathrm{\κ}}_2^2+n_3^2)\sinh \mathrm{\β}\cosh \mathrm{\β}({\sin }^2\mathrm{\α}-{\cos }^2\mathrm{\α})-$

$-2n_2{n}_3{\mathrm{\κ}}_2({\sinh }^2\mathrm{\β}+{\cosh }^2\mathrm{\β})=0$

其中，

$\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_2{d}_2,$ $\mathrm{\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\κ}}_2{d}_2$

n₃为缓冲层的折射率，n₂和k₂分别为吸收子层的折射率实部和虚部，λ为布拉格反射镜的反射带的中心波长，d₂为吸收子层厚度。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，

步骤S1中，选择GaAs作为衬底材料；

步骤S2中，选择GaAs和AlAs作为每一对高低折射率层的材料；

步骤S3中，选择InGaAs作为吸收子层的材料，选择InAlAs作为缓冲层的材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

步骤S2中，所设置的高低折射率层的对数为22～30，每一对高低折射率层为光学厚度为0.25λ的GaAs和光学厚度为0.25λ的AlAs。

7.一种光纤激光器，其特征在于，该光纤激光器包括泵浦源和通过光纤连接形成的振荡腔，所述振荡腔内连接有权利要求1所述的半导体可饱和吸收镜。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于，

所述光纤是单模光纤，采用单包层光纤或双包层光纤，所述光纤为正色散光纤、负色散光纤或零色散光纤；

所述振荡腔的腔型为环形腔或线性腔；

振荡腔内还连接有稀土元素铒、镱、钬或铥掺杂的增益光纤；

振荡腔内还连接有光纤式单向器或者体状隔离器。

9.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于，

所述振荡腔内还包括一端与所述半导体可饱和吸收镜对接的光纤环形器；

所述振荡腔内还包含偏振控制器，所述半导体可饱和吸收镜通过四分之一波片使光返回振荡腔内；

所述光纤激光器的输出直接或通过光纤展宽器或者光栅展宽器展宽后，输入固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器。

10.一种光纤放大系统，其特征在于，该系统包括权利要求7所述的光纤激光器及与所述光纤激光器连接的固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器，所述光纤激光器的输出直接或通过光纤展宽器或者光栅展宽器展宽后，输入所述固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器。

11.根据权利要求10所述的光纤放大系统，其特征在于，

所述固体脉冲放大器采用晶体或陶瓷或玻璃材料；

其中固体脉冲放大器的腔内还包括偏振控制元件及啁啾反射镜；

所述固体脉冲放大器或光纤脉冲放大器与光栅压缩系统连接，放大后的脉冲经过光栅压缩系统进行压缩，所述光栅压缩系统包括反射式光栅对、透射式光栅对、体光栅或光纤光栅。

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