CN105428983A - 基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，包括：半导体光放大器，由从下往上依次设置的衬底层（1）、缓冲层（2）、下光包层（3）、下势垒层（4）、有源层（5）、上势垒层（9）、上光包层（10）及欧姆接触层（11）组成；还包括光谐振腔，光谐振腔包括设置在下势垒层（4）上端面的第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7），第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7）分别位于有源层（5）的两侧，第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7）具有相同的中心波长，第二光栅结构（7）的光出射端面还设置有作为光饱和吸收体的黑磷层（8）。本发明兼容性好，实现了可集成、高稳定性、窄脉宽、高能量脉冲的被动锁模激光输出。

Description

基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，属光电子技术领域，更具体的说是涉及一种基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器。

背景技术

随着激光技术的迅速发展及其应用要求的增加，可集成、高功率、高效率、高稳定性、高光束质量和长寿命的激光器是激光领域发展的方向。超短脉冲激光器技术是近代科学最重要前沿之一，近几十年来，科学家对如何获得超短脉冲激光器已有了广泛和深入的研究。目前比较常用的技术是利用饱和吸收体来实现被动锁模技术。其中，饱和吸收体附着在腔内，当光脉冲通过饱和吸收体时，由于光脉冲边缘部分的损耗大于光脉冲中心波长部分的损耗，使得光脉冲在通过饱和吸收体的过程中被窄化。饱和吸收体被动锁模的主要优点就是重复频率比较稳定，锁模脉冲脉宽比较窄。目前常用的饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜(SESAM)，然而SESAM具有制作工艺复杂，生产成本高，可饱和吸收光谱范围相对较窄的缺点，并且SESAM所使用的半导体化合物材料热导率一般都不高，长时间工作会积累大量的热量，导致SESAM性能退化等不足。

现有技术中半导体超短脉冲激光器主要是以GaAS或InP为衬底，由于材料特性的不一样，不与CMOS工艺兼容，应用受限。

近几年，石墨烯被发现是一种新型的饱和吸收体材料用于激光锁模等方面的应用（见文献QiaoliangBao,HanZhang,YuWang,elat.Atomic-LayergrapheneasasaturableabsorberforultrafastpulsedLasers.Adv.Funct.Mater.2009,Vol.19）。石墨烯是零带隙材料，具有宽波带的可饱和吸收特性，但是单层石墨烯的光吸收效果较弱，功率低，多层高质量石墨烯制备工艺难度较大，因而石墨烯在激光器中的推广应用较难。

黑磷是直接带隙材料，黑磷材料的光电学特性与其层数或厚度有着密切关联，单原子层黑磷的带隙为2eV，多原子层黑磷的带隙可低至为0.3eV，因而通过控制黑磷的生长厚度来调控其带隙，可以在500nm~4100nm波长范围作为可饱和吸收材料。实验证明，多原子层黑磷材料相对容易制备得到，从可见光到中红外光波段，少数层黑磷材料具有较大的饱和吸收度，其损伤阈值较高，有潜力应用在高功率锁模脉冲激光器方面。

以上所述现有锁模激光器中存在的问题，都是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，解决了以往锁模激光器功率低的技术难题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，包括：

半导体光放大器，由从下往上依次设置的衬底层、缓冲层、下光包层、下势垒层、有源层、上势垒层、上光包层及欧姆接触层组成；

该被动锁模激光器还包括光谐振腔，光谐振腔包括设置在下势垒层上端面的第一光栅结构和第二光栅结构，第一光栅结构和第二光栅结构分别位于有源层的两侧，所述第一光栅结构和第二光栅结构具有相同的中心波长；

所述第二光栅结构的光出射端面还设置有作为光饱和吸收体的黑磷层。

作为本发明的第一个优化方案，所述第一光栅结构对第一光栅结构和第二光栅结构的中心波长光具有高反射性；所述第二光栅结构对第一光栅结构和第二光栅结构的中心波长具有部分反射性。

作为本发明的第二个优化方案，所述衬底层为[100]面偏向[110]方向且偏角为4~9°的N型掺杂硅。

作为本发明的第三个优化方案，所述黑磷层为单层黑磷、多层黑磷、黑磷衍生物或官能化黑磷材料中的一种或两种以上的混合物。

作为本发明的第四个优化方案，所述缓冲层的材料是GaAs，也可以是GaAs和Ge的混合物。

作为本发明的第五个优化方案，所述有源层为周期数为1~20的多周期结构，该有源层的材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点、InGaAsP量子阱或GaAlAs量子阱中的一种。

作为本发明的第六个优化方案，所述上势垒层和下势垒层的厚度均为1~2μm，材料为InGaAsP、InGaAs、AlGaAs或GaAs中的一种。

作为本发明的第七个优化方案，所述上光包层和下光包层的厚度为1~3μm，材料为InGaAsP或AlGaAs。

作为本发明的第八个优化方案，所述欧姆接触层的厚度为0.2~0.5μm，材料为高掺杂的InGaP或GaAs。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的衬底层采用N型掺杂硅，与现有采用GaAS或InP为衬底而言，N型掺杂硅能够与硅基更好的集成，且兼容性好，能够与CMOS工艺很好的兼容。

2、本发明利用一对光栅结构作为光谐振腔，通过优化设计光栅常数可使激光器具有良好的光波长选择性，稳定性好。

3、本发明利用黑磷作为可饱和吸收体，黑磷材料的厚度具有较好的可控性，相比于现有石墨烯可饱和吸收体具有更好的光吸收效果，且黑磷具有较高的饱和吸收度，损伤阈值较高，可实现高能量超短脉冲激光器，从而提高激光器功率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的侧向横截面示意图；

图中的标号分别表示为：1、衬底层；2、缓冲层；3、下光包层；4、下势垒层；5、有源层；6、第一光栅结构；7、第二光栅结构；8、黑磷层；9、上势垒层；10、上光包层；11、欧姆接触层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，包括：

半导体光放大器，由从下往上依次设置的衬底层1、缓冲层2、下光包层3、下势垒层4、有源层5、上势垒层9、上光包层10及欧姆接触层11组成；

该被动锁模激光器还包括光谐振腔，光谐振腔包括设置在下势垒层4上端面的第一光栅结构6和第二光栅结构7，第一光栅结构6和第二光栅结构7分别位于有源层5的两侧，所述第一光栅结构6和第二光栅结构7具有相同的中心波长；

所述第二光栅结构7的光出射端面还设置有作为光饱和吸收体的黑磷层8。

优选的，所述第一光栅结构6对第一光栅结构6和第二光栅结构7的中心波长光具有高反射性；所述第二光栅结构7对第一光栅结构6和第二光栅结构7的中心波长具有部分反射性。

优选的，所述衬底层1为[100]面偏向[110]方向且偏角为4~9°的N型掺杂硅。

优选的，所述黑磷层8为单层黑磷、多层黑磷、黑磷衍生物或官能化黑磷材料中的一种或两种以上的混合物。

优选的，所述缓冲层2的材料是GaAs，也可以是GaAs和Ge的混合物。

优选的，所述有源层5为周期数为1~20的多周期结构，该有源层5的材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点、InGaAsP量子阱或GaAlAs量子阱中的一种。

优选的，所述上势垒层9和下势垒层4的厚度均为1~2μm，材料为InGaAsP、InGaAs、AlGaAs或GaAs中的一种。

优选的，所述上光包层10和下光包层3的厚度为1~3μm，材料为InGaAsP或AlGaAs。

优选的，所述欧姆接触层11的厚度为0.2~0.5μm，材料为高掺杂的InGaP或GaAs。

本实施例中，衬底层1的材料为[100]面偏向[110]方向且偏角为4~9°的N型掺杂硅，更有利于缓冲层2材料的生长；缓冲层2的材料是GaAs（砷化镓），也可以是GaAs和Ge（锗）的混合物，可采用金属有机化学气相沉积，即MOCVD方法制备，N型掺杂硅采用N型掺杂也主要是为了消除硅衬底和缓冲层2材料之间的晶格失配，避免位错；有源层5为周期数为1~20的多周期结构，材料为InGaAs（铟砷化镓）量子阱、InGaAs量子点、InGaAsP（磷砷化镓铟）量子阱或GaAlAs（砷化镓铝）量子阱中的一种，有源层5是发光的主要结构，可根据所需的发光波长选择不同的材料制成；上势垒层9和下势垒层4的材料为InGaAsP、InGaAs、AlGaAs（铝砷化镓）或GaAs，厚度为1~2μm即可达到技术要求，主要用于量子阱或量子点的势垒，限制载流子；上光包层10和下光包层3的材料为InGaAsP或AlGaAs，厚度为1~3μm，主要用于限制光，形成波导结构；欧姆接触层11的材料为高掺杂的InGaP（铟镓磷）或GaAs，厚度为0.2~0.5μm即可达到技术要求，主要用于制备电极。

本实施例的工作原理是：有源层5作为增益介质位于第一光栅结构6和第二光栅结构7中间，共同构成光谐振腔，黑磷层8作为饱和吸收体贴附于第二光栅结构7的光出射端面，第一光栅结构6和第二光栅结构7具有相同中心波长，第一光栅结构6对第一光栅结构6和第二光栅结构7的中心波长光具有高反射性，所述第二光栅结构7对第一光栅结构6和第二光栅结构7的中心波长具有部分反射性，当欧姆接触层11接电极工作时，在有源层5中激发产生光波，只有与光栅中心波长一致的光波可在光栅谐振腔中形成谐振，并得到放大。当光脉冲经过黑磷层8时，光栅中心波长处的光强使黑磷层8光吸收达到饱和，而光栅中心波长的边翼部分的光波损耗大于中心波长的损耗，即可达到窄化光脉冲的目的，实现了稳定的超短脉冲。

本实施例中，半导体光放大器部分加电后会激发光辐射，光谐振腔中，只有特定波长光才能在谐振腔中稳定存在和产生谐振，光波在第一光栅结构6和第二光栅结构7中来回振荡，在第二光栅结构7的光出射端面出射，因而第二光栅结构7需要部分反射，反射的光继续在谐振腔中谐振和放大；第一光栅结构6的反射率是越大越好，从而可以反射回到第二光栅结构7处的部分出射也越好。

本实施例黑磷层8为单层黑磷、多层黑磷、黑磷衍生物或官能化黑磷材料中的一种或两种以上的混合物，黑磷层8的黑磷材料对可见光到红外光的光谱都有相对较大的吸收，较之石墨烯可饱和吸收体，多原子层黑磷材料的厚度具有较好的可控性，具有更好的光吸收效果，且黑磷材料具有较高的饱和吸收度，损伤阈值较高，可实现高能量超短脉冲激光器，提高激光器功率。

本实施例利用黑磷代替石墨烯作为饱和吸收体，用第一光栅结构6和第二光栅结构7作为光栅谐振腔，激光器衬底采用N型掺杂硅，克服了现有技术的不足，利用硅材料的特性使得激光器能与硅基更好的集成，能够与CMOS工艺很好的兼容，且兼容性好，实现了可集成、高稳定性、窄脉宽、高能量脉冲的被动锁模激光输出。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，包括：

半导体光放大器，由从下往上依次设置的衬底层（1）、缓冲层（2）、下光包层（3）、下势垒层（4）、有源层（5）、上势垒层（9）、上光包层（10）及欧姆接触层（11）组成；

其特征在于，该被动锁模激光器还包括光谐振腔，光谐振腔包括设置在下势垒层（4）上端面的第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7），第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7）分别位于有源层（5）的两侧，所述第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7）具有相同的中心波长；

所述第二光栅结构（7）的光出射端面还设置有作为光饱和吸收体的黑磷层（8）。

2.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述第一光栅结构（6）对第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7）的中心波长光具有高反射性；所述第二光栅结构（7）对第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7）的中心波长具有部分反射性。

3.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述衬底层（1）为[100]面偏向[110]方向且偏角为4~9°的N型掺杂硅。

4.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述黑磷层（8）为单层黑磷、多层黑磷、黑磷衍生物或官能化黑磷材料中的一种或两种以上的混合物。

5.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述缓冲层（2）的材料是GaAs，也可以是GaAs和Ge的混合物。

6.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述有源层（5）为周期数为1~20的多周期结构，该有源层（5）的材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点、InGaAsP量子阱或GaAlAs量子阱中的一种。

7.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述上势垒层（9）和下势垒层（4）的厚度均为1~2mm，材料为InGaAsP、InGaAs、AlGaAs或GaAs中的一种。

8.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述上光包层（10）和下光包层（3）的厚度为1~3mm，材料为InGaAsP或AlGaAs。

9.根据权利要求1所述的基于黑磷光饱和吸收体的被动锁模激光器，其特征在于，所述欧姆接触层（11）的厚度为0.2~0.5mm，材料为高掺杂的InGaP或GaAs。