CN102882127A - 一种光注入型混沌光子集成器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光注入型混沌光子集成器件及其制备方法，其特点是主分布反馈半导体激光器产生连续波状态的激光，经过半导体光放大器放大后进入无源光波导，然后注入到从分布反馈半导体激光器。通过调节半导体光放大器及主分布反馈半导体激光器和从分布反馈半导体激光器之间的中心波长失谐，使从分布反馈半导体激光器产生出带宽的混沌激光。本发明光注入半导体激光器产生宽带混沌激光实现了光子集成，提高了混沌激光的性能，大大减小了器件的体积，提高了系统的稳定性，工艺流程简单，实现成本低，在未来的光通信及光子信号处理领域应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件技术领域，特别涉及一种光注入型光子集成器件，实现单片光子器件产生宽带混沌激光，可应用于保密光通信、光网络及光子信号处理等领域。
背景技术
近年来，混沌激光的产生与应用受到越来越广泛的关注。半导体激光器具有体积小、价格低、应用范围广等优点，因此，基于半导体激光器产生混沌激光尤为受到关注和研究。目前，混沌激光已经在保密通信、汽车防撞雷达、光时域反射仪、高速真随机码发生器、传感和光学相干层析等领域具有巨大的优势和应用潜力。
毫无疑问，混沌激光光源是混沌激光应用中的关键部件。目前混沌激光光源主要还是集中于由分离的光、电器件构成。这存在着体积大、成本高、布局复杂、性能的稳定和可靠性差、功耗大、速率受限等缺点。随着新型微纳光子器件研究的进展和半导体制备工艺的不断提高，光子器件集成技术已经逐步应用到现行光通信系统中，并成为基于全光信号处理的高速光通信未来发展的必然趋势。因此，基于光子集成技术的混沌光子集成光源对混沌激光的应用具有重要的实用价值。
在先技术[1] (M. Yousefi, et al. New role for nonlinear dynamics and chaos in integrated semiconductor laser technology, Phys. Rev. Lett. 2007.) 公开了一种集成的脉冲碰撞锁模半导体激光器产生混沌激光的装置，然而该装置产生的混沌激光的带宽小于1 GHz，无法满足宽带的需要。在先技术[2] (A. Argyris, et al. Photonic integrated device for chaos applications in communications, Phys. Rev. Lett.2008.) 公开了一种混沌光子集成器件，该器件集成了一个分布反馈半导体激光器(distributed feedback，缩写为DFB)、半导体光放大器(semiconductor optical amplifier, 缩写为半导体光放大器SOA)、相位区和无源光波导。因此，该器件实质上是一个单反馈型混沌光子集成器件。从公布的结果可以看出，该器件产生混沌激光的带宽约为9 GHz (小于10 GHz)。在先技术[3] (V. Z. Tronciu, et al. Chaos generation and synchronization using anintegrated source with an air gap, IEEE J. QuantumElectron. 2010.) 公开了一种集成的混沌光源，包括一个分布反馈半导体激光器、两个无源光波导区、两个相位区和一个窄带气隙。区别于在先技术[2]中单反馈结构的是，该集成器件是一个双反馈型器件。结果显示，该器件产生的混沌激光的带宽小于7 GHz。在先技术[4] (S. Sunada, et al. Chaos laser chips with delayedoptical feedback using a passive ring waveguide, Opt. Express 2011.) 公开了一种混沌光子集成器件，器件包括一个分布反馈半导体激光器、两个半导体光放大器半导体光放大器SOA、一个光电探测器(Photodiode, PD)和一段无源环形光波导。该无源环形光波导构成环形反馈腔，从而产生混沌激光。由于该器件仍然是光反馈方式产生的混沌激光，所以报道的结果显示产生的混沌激光的带宽仍然小于10 GHz。在先技术[1-4]由于自身结构和光反馈的原因，产生的混沌激光受限于单个分布反馈半导体激光器的弛豫振荡频率，带宽均无法超过10 GHz。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光注入型混沌光子集成器件及其设计方法。从而为宽带混沌激光的应用提供一种结构紧凑、性能稳定的宽带混沌激光光源。
本发明采用的技术方案为：一种光注入型混沌光子集成器件，在单片上集成一个主分布反馈半导体激光器DFB、一个半导体光放大器SOA、一段无源光波导和一个从分布反馈半导体激光器DFB，具体方案如下：
在N型衬底上依次外延生长N-InGaAsP下包层、无掺杂多量子阱(MQW)有源区、无掺杂InGaAsP、布拉格光栅区、P-InP包层、P-InP上包层、P-InGaAsP接触层。
在N型衬底和P-InGaAsP接触层上分别蒸Au/Ge/Ni和Au/Zn/Au后，形成N型电极和P型电极。选择性能好的芯条镀HR膜。
所述主分布反馈半导体激光器DFB的长度为300~400 μm，气隙的长度为5 μm，半导体光放大器SOA的长度为200~300 μm，无源光波导的长度为5 mm~10 mm，从分布反馈半导体激光器DFB的长度为300~400μm。
主分布反馈半导体激光器DFB产生出连续光，经半导体光放大器SOA放大后进入无源光波导传输，然后注入到从分布反馈半导体激光器DFB。通过调节主从分布反馈半导体激光器DFB的注入电流实现它们之间中心波长的改变，同时调节半导体光放大器SOA 的放大倍数，实现注入强度的调节，进而主从分布反馈半导体激光器产生拍现象。此时从分布反馈半导体激光器DFB可以产生出宽带的混沌激光，带宽为10~25 GHz。
本发明提出的光注入型混沌光子集成器件具有以下优点：
1. 本发明采用单片集成了两个分布反馈半导体激光器DFB、一个半导体光放大器和一段无源光波导，相比于分立器件，本发明体积小、制作成本低、布局简单、性能稳定、可靠性好。
2. 本发明采用光注入方式产生混沌激光，相对于光反馈方式，能将带宽增大2~5倍。
附图说明
图1 光注入型混沌光子集成器件示意图。
图2半导体光放大器集成主分布反馈半导体激光器DFB侧向横截面示意图。
图3 从分布反馈半导体激光器DFB侧向横截面示意图。
图4 光注入型混沌光子集成器件的封装示意图。
图中：1主分布反馈半导体激光器DFB；2半导体光放大器SOA；
3无源光波导；4从分布反馈半导体激光器DFB；5 P-InGaAsP接触层；
6正电极；7气隙；8 P-InP上包层；9高反膜(HR膜)；10布拉格光栅区；
11无掺杂InGaAsP；12无掺杂InGaAsP多量子阱(MQW)有源区；
13 N-InGaAsP下包层；14 N-InP衬底；15 P-InP包层；16负电极；
17 P-InP外包层；18增透膜(AR膜)。
具体实施方式
本发明光注入型混沌光子集成器件，包括：主分布反馈半导体激光器DFB 1、半导体光放大器SOA 2、无源光波导3和从分布反馈半导体激光器DFB 4。主分布反馈半导体激光器DFB 1产生连续波状态（continuous wave, CW)的激光，经半导体光放大器SOA 2放大后进入无源光波导3，然后注入到从分布反馈半导体激光器DFB 4。通过调节半导体光放大器SOA 2，实现注入强度的操控；通过调节主分布反馈半导体激光器DFB 1和从分布反馈半导体激光器DFB 4之间的中心波长失谐，使从分布反馈半导体激光器产生出带宽的混沌激光。
下面以附图2和附图3为例，说明该光注入型混沌光子集成器件的设计过程。
如附图2所示，半导体光放大器SOA 2集成主分布反馈半导体激光器DFB 1的材料生长过程如下。利用金属有机化合物化学汽相沉积法（metal-organic chemical vapour deposition, 缩写为MOCVD)选择区域外延生长技术，在N型衬底材料上依次外延生长N型InGaAsP下包层13 厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP多量子阱MQW有源区12 厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP光栅材料层11 厚度为70 nm。第一次采用普通曝光方法使非光栅分段区曝光，第二次采用电子束曝光的方法再次曝光，制作光栅结构10 长度为300~400 μm。再利用MOCVD二次外延生长P型InP包层15 厚度为200 nm、P型InP上包层8 厚度为1700 nm和P型InGaAsP接触层5 厚度为200 nm。
P面蒸Au/Zn/Au，作为正电极6。N面减薄后，蒸Au/Ge/Ni，作为负电极16。制备聚酰亚胺间隔层，在聚酰亚胺膜上通过相同掩模板蒸镀电极后，直接以上层Al电极为掩模板，刻蚀掉电极以外区域的聚合物薄膜，以保证间隔层只有空气存在，即气隙7 长度为5 μm。刻蚀过程中以O2为主要反应气体，He为基板冷却气体。
解理，中测后，选择性能好的芯条镀HR膜9。
如附图3所示，从分布反馈半导体激光器DFB 4的材料生长过程如下。利用MOCVD选择区外延生长技术，在N型衬底材料上依次外延生长N型InGaAsP下包层13 厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP多量子阱MQW有源区12 厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP光栅材料层11 厚度为70 nm。第一次采用普通曝光方法使非光栅分段区曝光，第二次采用电子束曝光的方法再次曝光，制作光栅结构10 长度为500~700 μm。再利用MOCVD二次外延生长P型InP包层15 厚度为200 nm、P型InP外包层17厚度为1700 nm 和P型InGaAsP接触层5 厚度为200 nm。
P面蒸Au/Zn/Au，作为正电极6。N面减薄后，蒸Au/Ge/Ni，作为负电极16。
解理，中测后，选择性能好的芯条镀AR膜18。
将主分布反馈半导体激光器DFB 1、半导体光放大器SOA 2、无源光波导 3和从分布反馈半导体激光器DFB 4集成在同一热沉衬底上，并利用蝶型封装技术封装在气密封闭的、带尾纤的42脚蝶型封装管壳内，得到混沌光子集成芯片。封装后结构图和各引脚的定义如附图4所示，其中各引脚的定义见表1。
表1 各引脚的定义
Claims (8)
1.一种光注入型混沌光子集成器件，其特征在于，将主分布反馈半导体激光器DFB (1)、半导体光放大器SOA (2)、无源光波导(3)和从分布反馈半导体激光器DFB (4)，按顺序依次在同一芯片上集成；主分布反馈半导体激光器DFB (1)产生连续波状态的激光，经半导体光放大器SOA (2)放大后进入无源光波导(3)，然后注入到从分布反馈半导体激光器DFB (4)；通过调节半导体光放大器SOA (2)及主分布反馈半导体激光器DFB (1)和从分布反馈半导体激光器DFB (4)之间的中心波长失谐，使从分布反馈半导体激光器DFB (4)激光器产生出带宽的混沌激光。
2.根据权利要求1所述的一种光注入型混沌光子集成器件，其特征在于：所述的主分布反馈半导体激光器DFB (1)的长度为300~400 μm，半导体光放大器SOA (2)的长度为200~300 μm，无源光波导(3)的长度为5 mm~10 mm，从分布反馈半导体激光器DFB (4)的长度为300~400 μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种光注入型混沌光子集成器件，其特征在于，所述主分布反馈半导体激光器DFB (1)和半导体光放大器SOA (2) 之间存在气隙 (7)，长度为5 μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种光注入型混沌光子集成器件的制备方法，其特征在于，所述半导体光放大器SOA (2)集成主分布反馈半导体激光器DFB (1)的材料特征为N型InGaAsP下包层(13)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP多量子阱MQW有源区(12)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP光栅材料层(11)的厚度为70 nm；光栅结构(10)的长度为300~400 μm；P型InP包层(15)的厚度为200 nm和P型InP上包层(8)的厚度为1700 nm。
5.根据权利要求1或2所述的一种光注入型混沌光子集成器件的制备方法，其特征在于，所述从分布反馈半导体激光器DFB (1)激光器的材料参数特征为N型InGaAsP下包层(13)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP多量子阱MQW有源区(12)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP光栅材料层(11)的厚度为70 nm；光栅结构(10)的长度为300~400 μm；P型InP外包层(17)的厚度为200 nm和P型InP包层(15)的厚度为1700 nm。
6.根据权利要求3所述的一种光注入型混沌光子集成器件的制备方法，其特征在于，所述半导体光放大器SOA (2)集成主分布反馈半导体激光器DFB (1)的材料特征为N型InGaAsP下包层(13)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP多量子阱MQW有源区(12)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP光栅材料层(11)的厚度为70 nm；光栅结构(10)的长度为300~400μm；P型InP包层(15)的厚度为200 nm和P型InP上包层(8)的厚度为1700 nm。
7.根据权利要求3所述的一种光注入型混沌光子集成器件的制备方法，其特征在于，所述从分布反馈半导体激光器DFB (1)激光器的材料参数特征为N型InGaAsP下包层(13)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP多量子阱MQW有源区(12)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP光栅材料层(11)的厚度为70 nm；光栅结构(10)的长度为300~400 μm；P型InP外包层(17)的厚度为200 nm和P型InP包层(15)的厚度为1700 nm。
8.根据权利要求4所述的一种光注入型混沌光子集成器件的制备方法，其特征在于，所述从分布反馈半导体激光器DFB (1)激光器的材料参数特征为N型InGaAsP下包层(13)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP多量子阱MQW有源区(12)的厚度为200 nm、无掺杂InGaAsP光栅材料层(11)的厚度为70 nm；光栅结构(10)的长度为300~400 μm；P型InP外包层(17)的厚度为200 nm和P型InP包层(15)的厚度为1700 nm。
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