CN102593720A - 基于量子点-量子阱混合结构的锁模半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于量子点-量子阱混合结构的锁模半导体激光器。该激光器的特征在于波导层含有量子点-量子阱混合区。本发明把量子点作为可饱和吸收介质的优势和量子阱作为高功率输出增益介质的优势相结合，实现高功率短脉冲的半导体激光器。

Description

基于量子点-量子阱混合结构的锁模半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，特别是指一种含有量子点-量子阱混合的皮秒/亚皮秒锁模半导体激光器。
背景技术
Internet的普及以及宽带综合业务数字网的飞速发展推动了社会向信息化方向发展，人们对信息的需求也与日俱增，全社会整体的数据业务量几乎半年就增长一倍，建立超大容量、超长距离和超高速的通信网络是势在必行的发展方向。为了实现超大容量、超长距离和超高速的通信网络，国际上存在两种选择方案：波分复用(WDM)和光时分复用(OTDM)。WDM技术已经十分成熟，而OTDM技术尚处于探索阶段，还是属于未来的技术。因为要在光域上对信号进行处理恢复时钟识别信头以及选出路序，都需要全光逻辑和存储器件，而这些器件尚不成熟，这就限制了OTDM的发展和应用。OTDM技术具有以下的优点：传输容量大，传输速度快，能有效地利用光纤的频谱带宽，适合于不同距离和容量的光网络中；能够采用非线性光孤子传输来消除光纤通信传输系统中的色散影响；OTDM可以产生及复用高达几百Gbit/s的数据流等等。因此，随着信息社会对通信容量需求的日益增加和光逻辑器件的发展，OTDM不失为一种良好的提高速率和容量的主要可选方案。大容量光纤通信系统和超速光信息处理都离不开能够产生高重复率的超短相干光脉冲的光源。半导体激光器由于快速的响应、宽的增益带宽以及优异的电学可控性，所以已经成为光纤通信的首选光源。
锁模半导体激光器(MLLD)具有重复频率高，脉宽窄，波长可精确控制，转换效率高，稳定性好，驱动电源简单，体积小，重量轻，功耗低，价格低廉，易集成等优点。其中，采用多量子阱技术和锁模技术的半导体激光器以其极低阈值电流、较高的转换效率、较高的输出功率、易集成、使用寿命长等优势成为关注的焦点，在众多超高速超短脉冲光源中脱颖而出。量子点锁模半导体激光器近几年成为了一个研究热点。其量子点作为可饱和吸收介质(QD Absorber)，有着超快的载流子动力学(例如文章E.U.Rafailov，“Mode-locked quantum-dotlasers”Nature Photonics Vol.7，July 2007，395.)。量子点的三维限域效应和量子点的光谱增宽是Inhomogeneous增宽决定了量子点内部的载流子动力过程是带内Intraband过程。因此，与量子阱锁模激光器相比，量子点激光器表现出了稳定的锁模，而且量子点的超宽增益和吸收谱线也对窄脉冲的产生有明显的优势，使得锁模量子点激光器的脉冲可短于400飞秒。但从增益的角度来说，量子点激光器输出功率比量子阱相对要小。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种含量子点与量子阱混合结构的高功率的皮秒/亚皮秒锁模半导体激光器。这一结构把普通的量子点锁模半导体激光器的量子点增益介质换成量子阱增益介质(QW Gain Material)来实现高功率的输出。其研究结构如下：
本发明所设计的高功率量子点-量子阱集成或混合结构皮秒/亚皮秒锁模半导体激光器，从下往上顺次由下电极、衬底、下分离限制层、波导层、上分离限制层、盖层、SiO2电流隔离层、上电极构成，其特征在于，波导层含有量子点-量子阱混合区。
该量子点-量子阱混合结构之一见附图1。具体如下：
芯片呈两区式波导结构，由饱和吸收区101(SA)和增益区102(GS)两部分组成；
增益区102的有源层为量子阱104结构，该量子阱结构可以是单量子阱，也可以是多量子阱；
饱和吸收区101的有源层为量子点103结构，该量子点结构可以是单层多量子点，也可以是多层多量子点。饱和吸收区101的特性就是对强光损耗小，弱光损耗大，这样能窄化光脉冲，该量子点103结构可以提高饱和吸收区101的快速吸收恢复效应，以便进一步压缩脉冲宽度；
饱和吸收区101的电流注入区105和增益区102的电流注入区106相互隔离；
饱和吸收区101和增益区102之间存在几百到几千欧姆的阻值；
在增益区102注入正向电流，激光二极管表现其增益特性；在可饱和吸收区101的量子点103上加反向偏压会呈现可饱和吸收特性，形成被动锁模机制。饱和吸收区锁模机制的形成具体有以下三个阶段：(a)线性放大阶段，饱和吸收体对强光损耗小，弱光损耗大，有选择的对强脉冲进行放大，使光脉冲变窄；(b)非线性吸收阶段，强脉冲饱和，饱和吸收体进入非线性吸收过程，有选择的对符合条件的脉冲进行放大，进一步窄化脉冲；(c)非线性放大阶段，饱和吸收体饱和，增益介质也饱和，这样脉冲前后沿经较大损耗逐渐削弱，导致脉宽进一步变窄。
若在饱和吸收区101的电流注入区105同时外加高频RF信号，则可形成超高速的主被动混合锁模机制，可促使光脉冲的进一步窄化；
激光器发射端为增益区终端，该发射端镀有增透膜108。；
激光器发射端相对的另一端镀有高反射膜107；该端可以是增益区也可以是饱和吸收区。
在材料生长的过程中，先长量子阱增益层，进行光刻刻蚀去一部分量子阱，然后进行量子点吸收层的生长。
该量子点-量子阱混合结构之二见附图2。其具体同量子点-量子阱混合结构一相比主要差别如下：
芯片呈多区式波导结构，饱和吸收区101和增益区102至少各有一个，饱和吸收区101和增益区102总数多于三个；
增益区102可以是单段的，也可以是多段的；如果增益区102是多段的，其各段量子阱104结构相同，也可以不同；
饱和吸收区101可以是单段的，也可以是多段的；如果饱和吸收区101是多段的，其各段量子点103结构相同，也可以不同；
该量子点-量子阱混合结构之三见附图3。具体如下：
芯片呈一区式波导结构，由饱和吸收层201和增益层202两部分组成；
增益层202的有源层为量子阱204结构，该量子阱结构可以是单量子阱，也可以是多量子阱；
饱和吸收层201的有源层为量子点203结构，该量子点结构可以是单层多量子点，也可以是多层多量子点。饱和吸收层201的特性就是对强光损耗小，弱光损耗大，这样能窄化光脉冲，该量子点203结构可以提高饱和吸收层201的快速吸收恢复效应，以便进一步压缩脉冲宽度；
饱和吸收层201和增益层202的电流注入区205相同；
在电流注入区205上注入正向电流，量子点层203上的电压降相当于结构1中的零伏；
若在电流注入区205上外加高频RF信号，则可形成超高速的主被动混合锁模机制，可促使光脉冲的进一步窄化；
激光器发射端镀有增透膜207，另一端镀有高反射膜206。
在材料生长的过程中，先长量子阱增益层，然后进行量子点吸收层的生长。
附图说明
图1量子点-量子阱混合锁模半导体激光器结构之一
图2量子点-量子阱混合锁模半导体激光器结构之二
图3量子点-量子阱混合锁模半导体激光器结构之三
具体实施方式
本发明所设计的高功率量子点-量子阱混合结构皮秒/亚皮秒锁模半导体激光器，从下往上顺次由下电极、衬底、下分离限制层、波导层、上分离限制层、盖层、SiO2电流隔离层、上电极构成，其特征在于，波导层含有量子点-量子阱混合区。具体实施方案如下：
具体实施方案一见附图1。具体如下：
芯片呈两区式波导结构，由饱和吸收区101(SA)和增益区102(GS)两部分组成；
增益区102的有源层为量子阱104结构，该量子阱结构可以是单量子阱，也可以是多量子阱；
增益区102可以是单段的，也可以是多段的；如果增益区102是多段的，其各段量子阱104结构相同，也可以不同；
饱和吸收区101的有源层为量子点103结构，该量子点结构可以是单层多量子点，也可以是多层多量子点。
饱和吸收区101可以是单段的，也可以是多段的；如果饱和吸收区101是多段的，其各段量子点103结构相同，也可以不同；
饱和吸收区101的电流注入区105和增益区102的电流注入区106相互隔离；
饱和吸收区101和增益区102之间存在几百到几千欧姆的阻值；
在增益区102注入正向电流，激光二极管表现其增益特性；在可饱和吸收区101的量子点103上加反向偏压会呈现可饱和吸收特性，形成被动锁模机制。
若在饱和吸收区101的电流注入区105同时外加高频RF信号，则可形成超高速的主被动混合锁模机制，可促使光脉冲的进一步窄化；
激光器发射端为增益区终端，该发射端镀有增透膜108。；
激光器发射端相对的另一端镀有高反射膜107；该端可以是增益区也可以是饱和吸收区。
在材料生长的过程中，先长量子阱增益层，进行光刻刻蚀去一部分量子阱，然后进行量子点吸收层的生长。
具体实施方案二见附图2。同实施方案一相比主要差别如下：
芯片呈多区式波导结构，饱和吸收区101和增益区102至少各有一个，饱和吸收区101和增益区102总数多于三个；
增益区102可以是单段的，也可以是多段的；如果增益区102是多段的，其各段量子阱104结构相同，也可以不同；
饱和吸收区101可以是单段的，也可以是多段的；如果饱和吸收区101是多段的，其各段量子点103结构相同，也可以不同；
具体实施方案三见附图3。具体如下：
芯片呈一区式波导结构，由饱和吸收层201和增益层202两部分组成；
增益层202的有源层为量子阱204结构，该量子阱结构可以是单量子阱，也可以是多量子阱；
饱和吸收层201的有源层为量子点203结构，该量子点结构可以是单层多量子点，也可以是多层多量子点。饱和吸收层201的特性就是对强光损耗小，弱光损耗大，这样能窄化光脉冲，该量子点203结构可以提高饱和吸收层201的快速吸收恢复效应，以便进一步压缩脉冲宽度；
饱和吸收层201和增益层202的电流注入区205相同；
在电流注入区205上注入正向电流，量子点层203上的电压降相当于结构1中的零伏；
若在电流注入区205上外加高频RF信号，则可形成超高速的主被动混合锁模机制，可促使光脉冲的进一步窄化；
激光器发射端镀有增透膜207，另一端镀有高反射膜206。
在材料生长的过程中，先长量子阱增益层，然后进行量子点吸收层的生长。
实施例1：
有源区为：以InGaAsP为量子阱及量子点，InP为势垒。其外延结构如图1所示。
按预先设计好的外延结构，采用MOCVD或者MBE生长出外延层。具体的步骤为：在InP衬底上自下而上分别生长：n型InP、InP、六层InGaAsP应变量子阱、InP阱-点间隔层，光刻并刻蚀一段多量子阱区后，再生长六层InGaAsP多量子点、InP、p型InP、P+-InGaAs以及电镀层。增益介质层为六个InGaAsP应变量子阱层，其中阱层的厚度为：5-8nm，垒层的厚度为：5-10nm之间，应变都在1.2％以内；饱和吸收层为六个InGaAsP多量子点层，间隔层3-10nm。其折射率呈梯度分布，属于分别限制异质结构型。量子点饱和吸收区的电流注入区和量子阱增益区的电流注入区相互隔离。
实施例2：
有源区为：以InGaAsP为量子阱及量子点，InP为势垒。其外延结构如图2所示。同实施例1不同的是光刻并刻蚀的是多段多量子阱区，其后再生长多段六层InGaAsP多量子点区。各量子点饱和吸收区的电流注入区和量子阱增益区的电流注入区相互隔离。
实施例3：
有源区为：以InGaAsP为量子阱及量子点，InP为势垒。其外延结构如图3所示。
按预先设计好的外延结构，采用MOCVD或者MBE生长出外延层。具体的步骤为：在InP衬底上自下而上分别生长：n型InP、InP、六个InGaAsP应变量子阱、InP阱-点间隔层、三个InGaAsP多量子点层、InP、p型InP、P+-InGaAs以及电镀层。增益介质层为六个InGaAsP应变量子阱层，其中阱层的厚度为：5-8nm，垒层的厚度为：5-10nm之间，应变都在1.2％以内；饱和吸收层为三个InGaAsP多量子点层，间隔层3-10nm。其折射率呈梯度分布，属于分别限制异质结构型。

Claims (5)

1.一种锁模半导体激光器，含有上电极层、下电极层和波导层结构，其特征在于：波导层含有量子点-量子阱混合区。
2.如权利要求1所述的锁模半导体激光器，其特征在于：所述量子点-量子阱混合区，是在材料生长方向上，分为量子阱层和量子点层，量子点层位于量子阱层之上。
3.如权利要求1所述的锁模半导体激光器，其特征在于：所述量子点-量子阱混合区，是在垂直于材料生长方向上，分为量子阱区和量子点区。
4.如权利要求3所述的锁模半导体激光器，其特征在于：所述量子点-量子阱混合区，含有多个量子阱区和量子点区。
5.如权利要求3或4所述的锁模半导体激光器，其特征在于：所述的量子点区和量子阱区的上电极是分开的，中间有电极隔离条区。
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