CN105449515B - 一种半导体超短脉冲高重频激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体超短脉冲高重频激光器，包括：激光器谐振腔(1)；激光器可饱和吸收区(2)和光子晶体反射镜(3)，其中，在激光器谐振腔(1)和饱和吸收区(2)之间设置有电隔离区(4)，用以将激光器谐振腔(1)和饱和吸收区(2)进行电隔离，光子晶体反射镜(3)设置在由激光器谐振腔(1)和激光器可饱和吸收区(2)组成的激光器主体的两端。本发明提供的半导体超短脉冲高重频激光器可灵活的改变激光腔目标反射波长、对应波长反射率和耦合输出功率等参数；设计灵活制作简便；通过普通光刻、刻蚀等标准光互连工艺即可制作，与光互连工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光技术、半导体光集成技术和高速光通信技术领域，特别涉及一种半导体超短脉冲高重频激光器。
背景技术
利用光脉冲相位相干效应，获得模式锁定的激光器可以产生高重频，短脉冲相干激光序列，在高速光信号时分复用、全光信号处理、微波米波传输和信号时钟产生等领域具有广泛的应用。固态激光器和光纤激光器可以产生超短脉冲序列，但由于腔长较长，激光重复频率往往较低，一般为MHz量级，同时由于体积大等原因，无法应用在微纳电子集成领域，不利于超短脉冲激光器光源的小型化与集成化。
半导体激光器成本低，结构紧凑，利于片上互联集成。同时半导体激光器是电光转换效率最高的光源，具有覆盖波段范围广、寿命长、体积小、成本低等优点。因此半导体激光器一直是人们研究的热点。经过这些年的研究，半导体激光器重复频率得到极大提升，最高可输出THz量级脉冲激光。此外高功率(平均功率大于百毫瓦)、短脉冲(<1ps)的半导体激光器也相继出现。
现有半导体激光器包括锁模激光器其主要的激光腔结构都是由自然解理晶面形成，在这样的自然解理晶面上蒸镀多层介质膜实现对腔内激光模式的高反射性能，激光模式在腔内的振荡形成受激辐射激光的产生，这种半导体激光器都无法进行片上集成，无法实现片上光互连的功能。因此片上互连超短脉冲高重频激光器需要一种可以与片上波导耦合输出的腔面反馈机理和结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种半导体超短脉冲高重频激光器，利用光子晶体带隙反射形成半导体激光器的高反射腔面和耦合输出腔面。通过调节光子晶体结构的周期、半径、对数等参数调节反射波长、反射率和耦合输出功率。利用光子晶体能带的部分反射和透射，实现激光产生与波导的耦合输出。
(二)技术方案
根据本发明提出的半导体超短脉冲高重频激光器，包括：激光器谐振腔；激光器可饱和吸收区和光子晶体反射镜，其中，在激光器谐振腔和饱和吸收区之间设置有电隔离区，用以将激光器谐振腔和饱和吸收区进行电隔离，光子晶体反射镜设置在由激光器谐振腔和激光器可饱和吸收区组成的激光器主体的两端。
优选地，该激光器两端连接有耦合波导，其类型为条形波导、脊形波导、掩埋波导、楔形波导、弯曲波导、环形波导、光子晶体波导或其组合。
优选地，激光器谐振腔为有源谐振腔、无源波导谐振腔、相移区、调制器、光放大区或以上组合，其类型为条形波导、脊形波导、掩埋波导、楔形波导、弯曲波导、环形波导、光子晶体波导或其组合。
优选地，激光器可饱和吸收区形状为矩形、梯形、圆形、三角形或蝴蝶结形。
优选地，激光器谐振腔和激光器可饱和吸收区的个数、长度、宽度、刻蚀深度及相互位置有多种组合方式。
优选地，光子晶体反射镜是二维光子晶体或者一维光子晶体，二维光子晶体是四方晶格结构、六角晶格结构或准周期结构，一维光子晶体是脊形条上一维光子晶体结构或脊形条两侧一维光子晶体结构，光子晶体反射镜的光子晶体对数是一对或者多对。
优选地，该种半导体超短脉冲高重频激光器和耦合波导的增益介质为体材料、量子阱、量子线或量子点。
优选地，该半导体激光器使用主动锁模、被动锁模、混合锁模、主动调Q或被动调Q技术实现超短脉冲。
优选地，该半导体激光器波长范围覆盖紫外光、可见光、近红外光、红外光波段。
优选地，该半导体激光器脉冲宽度为1飞秒到100纳秒之间，重复频率在1MHz到100THz之间。(三)有益效果
本发明具有以下有益效果：1)本发明提供的半导体超短脉冲高重频激光器，可以通过改变光子晶体周期、半径、对数等参数灵活的改变激光腔目标反射波长、对应波长反射率和耦合输出功率等参数；2)通过改变激光器腔长，刻蚀深度等参数改变激光器重复频率，设计灵活制作简便；3)本发明提供的这种半导体超短脉冲高重频激光器，避免了片上互联无法实现的自然解理腔面，通过普通光刻、刻蚀等标准光互连工艺即可制作，与光互连工艺兼容。
附图说明
图1为本发明半导体超短脉冲高重频激光器的一实施例的结构示意图。
图2为本发明半导体超短脉冲高重频激光器的另一实施例的结构示意图。
图3为本发明半导体超短脉冲高重频激光器的再一实施例的结构示意图。
图4为一对光子晶体反射镜时激光器腔面反射率与透射率计算图。
图5为两对光子晶体反射镜时激光器腔面反射率与透射率计算图。
图6为三对光子晶体反射镜时激光器腔面反射率与透射率计算图。
图7为本发明半导体超短脉冲高重频激光器的电流功率曲线。
图8为本发明半导体超短脉冲高重频激光器产生的超短脉冲序列。
图9为本发明半导体超短脉冲高重频激光器产生的另一超短脉冲序列。
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。
本发明提出了一种半导体超短脉冲高重频激光器，包括：
激光器谐振腔1，激光器谐振腔1包括但不限于有源谐振腔，无源波导谐振腔，相移区，调制器，光放大区或以上组合；形状及类型包括但不限于条形波导，脊形波导，掩埋波导，楔形波导，弯曲波导，环形波导，光子晶体波导或以上组合；且激光器谐振腔1的长度、宽度和刻蚀深度依照需要而定。
一激光器可饱和吸收区2，激光器可饱和吸收区2形状包括但不限于矩形，梯形，圆形，三角形，蝴蝶结形，且激光器可饱和吸收区2的长度、宽度和刻蚀深度依照需要而定，激光器谐振腔1和激光器可饱和吸收区2的个数、长度、宽度、刻蚀深度及相互位置可以有多种组合方式。
一光子晶体反射镜3，其分别制作在整个激光器的两端，该光子晶体反射镜3可以是二维光子晶体(参阅图1)，也可以是一维光子晶体(参阅图2、图3)；二维光子晶体可以是四方晶格结构、六角晶格结构或准周期结构；一维光子晶体可以是脊形条上一维光子晶体结构(参阅图2)或脊形条两侧一维光子晶体结构(参阅图3)；光子晶体反射镜3的光子晶体对数不限，周期、半径等参数依照目标反射波长，反射率、耦合输出功率需求而定。
一电隔离区4，制作在激光器谐振腔1和激光器可饱和吸收区2之间，刻蚀深度一般为几百纳米，将半导体高掺杂材料层刻去，形成高电阻区，以此形成电隔离区，将激光器谐振腔1和激光器可饱和吸收区2进行电隔离。
上述半导体超短脉冲高重频激光器，该激光器两端可以连接耦合波导5，该波导形状及类型包括但不限于条形波导，脊形波导，掩埋波导，楔形波导，弯曲波导，环形波导，光子晶体波导或以上组合。波导宽度及刻蚀深度根据波导耦合及传输要求而定。上述半导体超短脉冲高重频激光器及耦合波导5，要求其增益介质为体材料、量子阱、量子线、量子点；实现超短脉冲利用技术可以是主动锁模、被动锁模、混合锁模、主动调Q、被动调Q等；波长范围覆盖紫外光、可见光、近红外光、红外光波段；脉冲宽度为1飞秒到100纳秒之间，重复频率在1MHz到100THz之间。
以下结合具体的实施例对本发明提供的半导体超短脉冲高重频激光器作进一步详细说明。
实施例一
参照图1，该半导体超短脉冲高重频激光器的激光器谐振腔1、可饱和吸收区2和耦合波导5都为脊形波导，宽度为2.5微米，波导刻蚀深度为1.6微米，激光器谐振腔1长度为1000微米，可饱和吸收区2长度为40微米。激光器谐振腔1、可饱和吸收区2和耦合波导5都为AlGaInAs量子阱材料，材料增益波长在1550纳米附近。可饱和吸收区2和激光器谐振腔1之间有电隔离区4。电隔离区4宽度为10微米，刻蚀深度为200纳米。该实施例中光子晶体反射镜使用二维光子晶体孔阵，利用电子束曝光/光刻和干法刻蚀等技术在半导体激光器端面附近制作出二维光子晶体孔阵，用以替代解理腔晶面为激光器共振腔提供激光反馈和耦合输出。该实施例中二维光子晶体孔阵周期是460纳米，半径为138纳米，有三对二维光子晶体反射镜。半导体激光器产生的光通过两侧光子晶体反射镜3的反射，在腔内不断震荡形成激光激射；同时透过光子晶体反射镜3的透射光耦合进入耦合波导5，在耦合波导5内传播输出。通过向激光器谐振腔1加正向电流，可饱和吸收区2加反向偏压，利用光脉冲相位相干效应可以产生40GHz的高速短脉冲光序列，并通过光子晶体反射镜3输出进入耦合波导5内。在光互连芯片上，耦合波导5后可连接调制器，存储器等光互连器件，形成一定功用的光集成器件。
实施例二
参照图2，该半导体超短脉冲高重频激光器的可饱和吸收区2位于整个激光器腔长的1/2处。可饱和吸收区2和每一个激光器谐振腔1之间有电隔离区4。电隔离区4宽度为20微米，深度为250纳米。该实施例中激光器谐振腔1、可饱和吸收区2和耦合波导5都为脊形波导，宽度为3微米，波导刻蚀深度为1.6微米，两个激光器谐振腔1长度分别为250微米，可饱和吸收区2长度为30微米。激光器谐振腔1、可饱和吸收区2和耦合波导5都为InGaAs量子阱材料，材料增益波长在980纳米附近。该实施例中光子晶体反射镜使用一维光子晶体，利用电子束曝光/光刻和干法刻蚀等技术在半导体激光器端面附近脊形条上制作出一维光子晶体阵列，用以替代解理腔面，为激光器共振腔提供反馈和耦合输出。该实施例中一维光子晶体周期是467纳米，占空比为50％，有六对一维光子晶体反射镜，光子晶体反射镜刻蚀深度为1.6微米。半导体激光器产生的光通过两侧光子晶体反射镜反射，在腔内不断震荡形成激光激射；同时透过光子晶体反射镜3的透射光耦合进入耦合波导5，在耦合波导5内传播输出。通过向激光器谐振腔1加正向电流，可饱和吸收区2加反向偏压，利用光脉冲相位相干效应可以产生160GHz的高速短脉冲光序列，并通过光子晶体反射镜3输出进入耦合波导5内。在光互连芯片上，耦合波导5后可连接调制器，存储器等光互连器件，形成一定功用的光集成器件。
实施例三
参照图3，该半导体超短脉冲高重频激光器的可饱和吸收区2位于整个激光器腔长的1/20处。。可饱和吸收区2和每一个激光器谐振腔1之间有电隔离区4。电隔离区4宽度为20微米，深度为250纳米。该实施例中激光器谐振腔1、可饱和吸收区2和耦合波导5都为脊形波导，宽度为3微米，波导刻蚀深度为1.5微米，两个激光器谐振腔1长度分别为250微米，可饱和吸收区2长度为15微米。激光器谐振腔1、可饱和吸收区2和耦合波导5都为InGaP量子阱材料，材料增益波长在600纳米可见光附近。该实施例中光子晶体反射镜使用一维光子晶体，利用电子束曝光/光刻和干法刻蚀等技术在半导体激光器端面附近脊形条两侧制作出一维光子晶体阵列，用以替代解理腔面为激光器共振腔提供反馈和耦合输出。该实施例中一维光子晶体周期是245纳米，占空比为50％，有十对一维光子晶体反射镜，光子晶体反射镜纵向刻蚀深度为脊形条深度1.6微米，光子晶体反射镜横向宽度为4.2微米，即3微米脊形条两侧各突出0.6微米。半导体激光器产生的光通过两侧光子晶体反射镜反射，在腔内不断震荡形成激光激射；同时透过光子晶体反射镜3的透射光耦合进入耦合波导5，在耦合波导5内传播输出。通过向激光器谐振腔1加正向电流，可饱和吸收区2加反向偏压，利用光脉冲相位相干效应可以产生1.6THz的高速短脉冲光序列，并通过光子晶体反射镜3输出进入耦合波导5内。在光互连芯片上，耦合波导5后可连接调制器，存储器等光互连器件，形成一定功用的光集成器件。
图4是实施例一中图1情况下一对二维光子晶体反射镜的反射率透过率曲线。可以看出在该实施例中二维光子晶体反射镜参数下不同波长反射率透射率不同，反射率最高接近30％。
图5是实施例一中图1情况下两对二维光子晶体反射镜的反射率透过率曲线。两对二维光子晶体反射镜已经可以提供高达80％的反射率，且反射谱较宽，可以在很宽光谱范围内对激光形成有效反馈。
图6是实施例一中图1情况下三对二维光子晶体反射镜的反射率透过率曲线。在较宽光谱范围内提供90％以上反射率。
图7是实施例一中图1情况下这种半导体超短脉冲高重频激光器的电流功率曲线。图7是在该激光器有一对光子晶体反射镜下的测试情况，反射率透射率如图4所示，激光器阈值为48mA，200mA下输出功率为24mW。
图8是这种半导体超短脉冲高重频激光器的脉冲序列图。该脉冲序列周期为10飞秒，即重频为100THz，单个脉冲宽度为1飞秒，峰值功率为200mW。
图9是这种半导体超短脉冲高重频激光器的另一脉冲序列图。该脉冲序列周期为1微秒，即重频为1MHz，单个脉冲宽度为100纳秒，峰值功率为200mW。
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 (8)
1.一种半导体超短脉冲高重频激光器，包括：激光器谐振腔(1)；激光器可饱和吸收区(2)和光子晶体反射镜(3)，其中，在激光器谐振腔(1)和饱和吸收区(2)之间设置有电隔离区(4)，用以将激光器谐振腔(1)和饱和吸收区(2)进行电隔离，光子晶体反射镜(3)设置在由激光器谐振腔(1)和激光器可饱和吸收区(2)组成的激光器主体的两端；
该激光器两端连接有耦合波导(5)，其类型为条形波导、脊形波导、掩埋波导、楔形波导、弯曲波导、环形波导、光子晶体波导或其组合；
光子晶体反射镜(3)是二维光子晶体或者一维光子晶体，二维光子晶体是四方晶格结构、六角晶格结构或准周期结构，一维光子晶体是脊形条上一维光子晶体结构或脊形条两侧一维光子晶体结构，光子晶体反射镜(3)的光子晶体对数是一对或者多对；其中，
光子晶体反射镜(3)替代解理腔晶面为激光器共振腔提供激光反馈和耦合输出，半导体激光器产生的光通过两侧光子晶体反射镜(3)的反射，在腔内不断震荡形成激光激射；同时透过光子晶体反射镜(3)的透射光耦合进入耦合波导(5)，在耦合波导(5)内传播输出；通过向激光器谐振腔(1)加正向电流，向可饱和吸收区(2)加反向偏压，利用光脉冲相位相干效应产生高速短脉冲光序列，并通过光子晶体反射镜(3)输出进入耦合波导(5)内；在光互连芯片上，耦合波导(5)的后面连接光互连器件，形成光集成器件。
2.根据权利要求1所述的半导体超短脉冲高重频激光器，其特征在于，激光器谐振腔(1)为有源谐振腔、无源波导谐振腔、相移区、调制器、光放大区或以上组合，其类型为条形波导、脊形波导、掩埋波导、楔形波导、弯曲波导、环形波导、光子晶体波导或其组合。
3.根据权利要求1所述的半导体超短脉冲高重频激光器，其特征在于，激光器可饱和吸收区(2)形状为矩形、梯形、圆形、三角形或蝴蝶结形。
4.根据权利要求1-3任一项所述的半导体超短脉冲高重频激光器，其特征在于，激光器谐振腔(1)和激光器可饱和吸收区(2)的个数、长度、宽度、刻蚀深度及相互位置有多种组合方式。
5.根据权利要求1所述的半导体超短脉冲高重频激光器，其特征在于，该种半导体超短脉冲高重频激光器和耦合波导(5)的增益介质为体材料、量子阱、量子线或量子点。
6.根据权利要求1所述的半导体超短脉冲高重频激光器，其特征在于，该半导体激光器使用主动锁模、被动锁模、混合锁模、主动调Q或被动调Q技术实现超短脉冲。
7.根据权利要求1所述的半导体超短脉冲高重频激光器，其特征在于，该半导体激光器波长范围覆盖紫外光、可见光、近红外光、红外光波段。
8.根据权利要求1所述的半导体超短脉冲高重频激光器，该半导体激光器脉冲宽度为1飞秒到100纳秒之间，重复频率在1MHz到100THz之间。
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