CN106329311B - 一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器 - Google Patents

一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器，所述激光器采用脊波导结构，在该脊波导结构的脊上依次形成脊增益区、脊波导电隔离区和脊波导饱和吸收区；在所述脊增益区侧边的任意位置形成侧边可调增益/吸收区。侧边可调增益/吸收区根据施加电压的不同，可为增益区，也可为吸收区。本发明利用侧边吸收区所具有的光吸收特性，减小脊波导侧边近波长或亚波长量级的凹凸结构对光产生的散射或者衍射；利用侧边吸收区所具有的饱和吸收特性，有效压缩脉冲宽度；利用侧边脊增益区的增益放大特性，提高光脉冲的输出功率。从而实现锁模激光器高质量超短脉冲的输出，同时适当降低对制备工艺精度的要求，简化了激光器性能测试时电流电压复杂的调试。

Description

一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件，具体涉及一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器。
背景技术
激光器中同时存在多个纵模，这些纵模的相位相互独立，而锁模技术就是把这些纵模的相位锁定起来，使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，这样激光器就会输出脉冲光。半导体锁模激光器(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，这些优点使得半导体锁模激光器已经成为光通讯、光时钟、光互联、高速信号的光学采样等领域中的重要光源。
近年来，为了满足人们对超短脉冲光源的广泛需求，压缩输出脉冲技术手段也在不断的进步。被动式半导体锁模激光器包含脊增益区和吸收区，先利用脊增益区形成光脉冲，然后利用吸收区的可饱和吸收特性，当光在激光器谐振腔中传播时，光场强度较弱的光脉冲会由于损耗变得更弱而逐渐消失，光场强度较强的光脉冲在经过吸收区时，可以造成吸收饱和并又返回到脊增益区，逐渐形成脉冲放大，实现被动锁模，最终形成较稳定的超短脉冲输出。可以说，脊增益区关乎着光脉冲的输出功率，吸收区可以调整光脉冲的脉宽。目前，基于多量子阱-量子点的半导体锁模激光器已经能产生脉宽在亚皮秒量级、峰值功率在几百毫瓦的超短脉冲。
半导体锁模激光器的尺寸非常小，这非常有利于光的集成和应用，但同时也会提高对制备工艺精度的要求。半导体激光器一般通过光刻、腐蚀、生长介质绝缘层、开电极窗口、溅射金属芯片结构等工艺形成。而光刻制备工艺尽管已经很精细，但仍存在一定的精度问题，导致在制作脊波导时，脊的侧边会形成近波长或亚波长量级的凹凸结构。这些凹凸结构会对光产生散射或者衍射，对器件的光谱特性产生不良影响。
发明内容
为了得到高光谱质量、窄脉宽、高功率的超短脉冲，本发明提供了一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器，技术方案如下。
一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器，所述半导体锁模激光器采用脊波导结构，在该脊波导结构的脊上依次形成脊增益区、脊波导电隔离区和脊波导饱和吸收区，其中，脊波导电隔离区将脊增益区和脊波导饱和吸收区分隔开；在所述脊增益区侧边的任意位置形成侧边可调增益/吸收区。
进一步地，侧边可调增益/吸收区被施加的电压为反向偏压或者正向偏压，当在侧边可调增益/吸收区上施加反向偏压时，侧边可调增益/吸收区作为吸收区；当在侧边可调增益/吸收区上施加正向偏压时，侧边可调增益/吸收区作为增益区；当侧边可调增益/吸收区为多段时，各段侧边可调增益/吸收区被施加的电压为相同方向或不同方向。
进一步地，脊增益区、脊波导饱和吸收区以及侧边可调增益/吸收区上均设置平面电极，脊增益区、脊波导饱和吸收区以及侧边可调增益/吸收区的电极之间相互不相连。
进一步地，所述脊增益区为长条形，所述脊波导电隔离区位于脊增益区沿长度方向的一端，脊增益区沿长度方向远离脊波导电隔离区的一端的端面为出光端面，出光端面镀有增透膜；在脊波导饱和吸收区远离脊波导电隔离区的一端的端面镀有高反射率的光学介质膜，端面与出光端面均垂直于脊增益区的长度方向。
进一步地，在脊增益区一侧边的任意位置形成一段侧边电隔离区和所述侧边可调增益/吸收区，侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向；
或者，在脊增益区一侧边的任意位置并排间隔形成多段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区；每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向。
进一步地，在脊增益区两侧边的任意位置各设置一段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向。
进一步地，在脊增益区一侧边的侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区与另一侧边的侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区对称分布。
进一步地，在脊增益区的两侧边各设置多段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向。
进一步地，脊增益区两侧边的各段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区呈多段互补式对称分布或镜像对称分布。
进一步地，所述半导体锁模激光器半导体锁模激光器包括下波导层、有源区和上波导层，所述下波导层、有源区和上波导层依次设置构成光限制层中心区域，在所述下波导层下依次设置下分离限制层、衬底和下电极，在上波导层上依次设置上分离限制层、盖层、Si02电流隔离层和上电极。
本发明的有益效果：本发明在所述脊增益区侧边的任意位置形成侧边可调增益/吸收区，当在侧边可调增益/吸收区上施加反向偏压时，增益/吸收区可视作可饱和吸收体，利用侧边吸收区所具有的光吸收特性，可减小脊波导侧边近波长或亚波长量级的凹凸结构对光产生的散射或者衍射，减小激射对器件的光谱特性产生的不良影响；利用侧边吸收区所具有的饱和吸收特性及其引起的非线性折射，有效压缩输出脉冲的宽度。当在侧边可调增益/吸收区上施加正偏压时，增益/吸收区可视作增益区，利用增益区的增益放大特性，能有效提高光脉冲的输出功率。所以在增益区的电流和脊波导可饱和吸收区的电压保持一定值时，仅调节侧边可调节增益/吸收区的偏压，就可以优化输出光脉冲的脉冲宽度和光谱特性及输出功率，从而实现锁模激光器高质量超短脉冲的输出，同时适当降低对制备工艺精度的要求，简化了激光器性能测试时电流电压复杂的调试。
附图说明
图1是本发明提出的脊增益区一侧边任意位置含侧边可调增益/吸收区的脊波导示意图；
图2是本发明提出的脊增益区一侧边任意位置含多侧边可调增益/吸收区的脊波导示意图；
图3是本发明提出的脊增益区两侧边任意位置含侧边可调增益/吸收区的脊波导示意图；
图4是本发明提出的脊增益区两侧边任意位置含对称分布侧边可调增益/吸收区的脊波导示意图；
图5是本发明提出的脊增益区两侧边任意位置含多段互补式对称分布侧边可调增益/吸收区的脊波导示意图；
图6是本发明提出的脊增益区两侧边任意位置含镜像对称分布侧边可调增益/吸收区的脊波导示意图。
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。但本领域技术人员都知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明提出的一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器，依次由下电极、衬底、下分离限制层、下波导层、有源区、上波导层、上分离限制层、盖层、Si02电流隔离层、上电极构成。有源区为含五层InGaAs的量子点结构，嵌入在厚度为250nm的GaAs波导中，72nm的GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格构成分离限层，盖层由1500nm的Al0.35Ga0.65As形成，最后用SiO2做电流隔离层，用Ti/Au形成n型和p型电极接触，衬底为GaAs材料。激光器通过光刻、腐蚀、生长介质绝缘层、开电极窗口、溅射金属芯片结构等工艺形成。
该激光器的下波导层、有源区、上波导层构成光限制层中心区域，光限制层中心区域构成波导层，该激光器采用脊波导结构，脊增益区侧边的任意位置形成侧边可调增益/吸收区，通过用电泵浦所述侧边可调增益/吸收区来优化光谱特性及光脉冲宽度和功率。
下面结合附图对侧边可调增益/吸收区的具体设置位置进行描述。
实施例1
图1中给出了在脊增益区一侧边的任意位置设置侧边可调增益/吸收区的脊波导示意图，在该脊波导结构的脊上依次形成脊增益区101、脊波导电隔离区105和脊波导饱和吸收区104，其中，脊波导电隔离区105将脊增益区101和脊波导饱和吸收区104分隔开，以形成电隔离。
脊增益区101为长条形，脊波导电隔离区105位于脊增益区101沿长度方向的一端，脊增益区101沿长度方向远离脊波导电隔离区105的一端的端面为出光端面106，出光端面106镀有增透膜，例如增透膜反射率为5％；在脊波导饱和吸收区104远离脊波导电隔离区105的一端的端面107镀有高反射率的光学介质膜，例如反射率为95％高反膜；端面107与出光端面106均垂直于脊增益区101的长度方向。
在脊增益区一侧边的任意位置制备侧边电隔离区102和侧边可调增益/吸收区103，侧边电隔离区102和侧边可调增益/吸收区103沿与脊增益区101长度方向相垂直的方向层叠制备，侧边电隔离区102和侧边可调增益/吸收区103均平行于脊增益区101的长度方向。其中，侧边电隔离区102的第一表面与脊的侧面接触，侧边电隔离区102与第一表面相对的第二表面与侧边可调增益/吸收区103接触，侧边电隔离区102沿脊增益区101的长度方向的长度大于或等于侧边可调增益/吸收区103沿脊增益区101的长度方向的长度，以做到更好的电隔离；侧边电隔离区102和侧边可调增益/吸收区103沿脊增益区101的长度方向的长度均小于或者等于脊增益区101的长度。
脊波导电隔离区105和侧边电隔离区102采用干、湿法腐蚀或者离子注入等工艺形成，使芯片的脊增益区101和脊波导饱和吸收区104之间以及脊增益区101和侧边可调增益/吸收区103之间存在几百到几千欧姆的电阻值，确保高程度的电隔离，但并不是光隔离。
脊增益区101、脊波导饱和吸收区104以及侧边可调增益/吸收区103上均设置平面电极，脊增益区101、脊波导饱和吸收区104以及侧边可调增益/吸收区103的电极之间相互不相连。
在激光器工作时，脊增益区上加正向电流形成增益，饱和吸收区上加反向偏压来控制可饱和吸收恢复时间，从而压缩脉冲宽度。当在侧边可调增益/吸收区上施加反向偏压时，增益/吸收区视作可饱和吸收体，当在侧边可调增益/吸收区上施加正向偏压时，增益/吸收区视作增益区。仅调节侧边可调增益/吸收区103上的偏压，利用吸收区所具有的光吸收特性或增益区所具有的增益放大特性，就可以优化输出脉冲的光谱特性及脉冲宽度。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中只在脊增益区的一侧边设置一段侧边电隔离区102和侧边可调增益/吸收区103，而本实施例中在脊增益区的一侧边设置多段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区。图2给出了在脊增益区一侧边设置两段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区的示例。
在脊波导结构的脊上依次形成脊增益区201、脊波导电隔离区205和脊波导饱和吸收区204，其中，脊波导电隔离区205将脊增益区201和脊波导饱和吸收区204分隔开，以形成电隔离。
脊增益区201为长条形，脊波导电隔离区205位于脊增益区201沿长度方向的一端，脊增益区201沿长度方向远离脊波导电隔离区205的一端的端面为出光端面206，出光端面206镀有增透膜；在脊波导饱和吸收区204远离脊波导电隔离区205的一端的端面207镀有高反射率的光学介质膜，端面207与出光端面206均垂直于脊增益区201的长度方向。
在脊增益区一侧边的任意位置制备两段侧边电隔离区和侧边吸收区，两段侧边电隔离区和侧边吸收区在脊的一侧边并排制备。
第一段侧边电隔离区2021和侧边可调增益/吸收区2031沿与脊增益区201长度方向相垂直的方向层叠制备，第一段侧边电隔离区2021和侧边可调增益/吸收区2031均平行于脊增益区201的长度方向。其中，侧边电隔离区2021的第一表面与脊的侧面接触，侧边电隔离区2021与第一表面相对的第二表面与侧边可调增益/吸收区2031接触，侧边电隔离区2021沿脊增益区201的长度方向的长度大于或等于侧边可调增益/吸收区2031沿脊增益区201的长度方向的长度，侧边电隔离区2021和侧边吸收区2031沿脊增益区201的长度方向的长度均小于脊增益区201的长度。
第二段侧边电隔离区2022和侧边可调增益/吸收区2032沿与脊增益区201长度方向相垂直的方向层叠制备，第二段侧边电隔离区2022和侧边可调增益/吸收区2032均平行于脊增益区101的长度方向。其中，侧边电隔离区2022的第一表面与脊的侧面接触，侧边电隔离区2022与第一表面相对的第二表面与侧边可调增益/吸收区2032接触，侧边电隔离区2022沿脊增益区201的长度方向的长度大于或等于侧边可调增益/吸收区2032沿脊增益区201的长度方向的长度，侧边电隔离区2022和侧边可调增益/吸收区2032沿脊增益区201的长度方向的长度均小于脊增益区201的长度。
脊增益区201和脊波导饱和吸收区204以及侧边可调增益/吸收区203上均设置平面电极，同一区域内的电极相互独立不交连，即脊增益区201区域内的电极相互独立不交连，脊波导饱和吸收区204区域内的电极相互独立不交连，侧边可调增益/吸收区203区域内的电极相互独立不交连。
各侧边可调增益/吸收区可以施加相同或不同方向的电压，分别起到增益或者吸收的效果，以优化输出光脉冲的质量。
侧边电隔离区2021和侧边电隔离区2022的尺寸可以相同，也可以不同；侧边可调增益/吸收区2031和侧边可调增益/吸收区2032的尺寸可以相同，也可以不同。
本实施例与前述相同之处不再赘述。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中只在脊增益区的一侧边设置一段侧边电隔离区102和侧边可调增益/吸收区103，而本实施例中在脊增益区的两侧边各设置一段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区。
如图3所示，在脊波导结构的脊上依次形成脊增益区301、脊波导电隔离区305和脊波导饱和吸收区304，其中，脊波导电隔离区305将脊增益区301和脊波导饱和吸收区304分隔开，以形成电隔离。脊增益区301沿长度方向远离脊波导电隔离区305的一端的端面为出光端306，出光端面306镀有增透膜；在脊波导饱和吸收区304远离脊波导电隔离区305的一端的端面307镀有高反射率的光学介质膜。
在脊增益区一侧边的任意位置制备一段侧边电隔离区3021和侧边可调增益/吸收区3031，在另一侧边的任意位置制备一段侧边电隔离区3022和侧边可调增益/吸收区3032。
各侧边可调增益/吸收区可以施加相同或不同方向的电压，分别起到增益或者吸收的效果，以优化输出光脉冲的质量。
侧边电隔离区3021和侧边电隔离区3022的尺寸可以相同，也可以不同；侧边可调增益/吸收区3031和侧边可调增益/吸收区3032的尺寸可以相同，也可以不同。
其他与实施例1相同的内容不再赘述。
实施例4
本实施例与实施例3的不同之处在于，实施例3中每侧的侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区设置在脊增益区两侧边的任意位置，而本实施例中脊增益区一侧边的侧边电隔离区4021和侧边可调增益/吸收区4031与另一侧边的侧边电隔离区4022和侧边可调增益/吸收区4032对称分布，如图4所示。
各侧边可调增益/吸收区的电极相互独立不交连，可以施加相同或不同方向的电压，分别起到增益或者吸收的效果，以优化输出光脉冲的质量。
其他与前述相同的内容不再赘述。
实施例5
本实施例与实施例3的不同之处在于，实施例3中，在脊增益区的两侧边均设置一段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区，而本实施例中，在脊增益区的两侧边各设置多段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区，并且脊波导两侧边的各段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区为多段互补式对称分布。
如图5所示，以四段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区为例说明多段互补式侧边电隔离区和侧边吸收区的分布情况：沿脊增益区501的长度方向，在脊增益区501同一侧边的第一段侧边电隔离区5021和侧边可调增益/吸收区5031与第三段侧边电隔离区5023和侧边可调增益/吸收区5033之间预留出第二段侧边电隔离区5022和侧边可调增益/吸收区5032尺寸匹配的空间，第二段侧边电隔离区5022和侧边可调增益/吸收区5032位于脊增益区501另一侧边与该空间对应的位置；同理，在脊增益区501同一侧边的第二段侧边电隔离区5022和侧边可调增益/吸收区5032与第四段侧边电隔离区5024和侧边可调增益/吸收区5034之间预留的空间与脊增益区501另一侧边的第三段侧边电隔离区5023和侧边可调增益/吸收区5033尺寸相匹配。
各侧边可调增益/吸收区的电极相互独立不交连，可以施加相同或不同方向的电压，分别起到增益或者吸收的效果，以优化输出光脉冲的质量。
其他与前述相同的内容不再赘述。
实施例6
本实施例与实施例5的不同之处在于，实施例5中各段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区周期互补式分布，实施例6中各段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区为多段镜像对称分布，如图6所示，在脊增益区601一侧边的第一段侧边电隔离区6021和侧边可调增益/吸收区6031与在脊增益区601另一侧边的第二段侧边电隔离区6022和侧边可调增益/吸收区6032对称分布，在脊增益区601一侧边的第三段侧边电隔离区6023和侧边可调增益/吸收区6033与在脊增益区601另一侧边的第四段侧边电隔离区6024和侧边可调增益/吸收区6034对称分布。
其他与前述相同的内容不再赘述。
根据上述实施例1-6可知，该侧边可调增益/吸收区可以是单侧单段，如实施例1；或者是单侧多段，如实施例2；或者是两侧边单段，如实施例3和4；或者是两侧边多段，实施例5和6。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。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 (10)

1.一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器，其特征在于，所述半导体锁模激光器采用脊波导结构，在该脊波导结构的脊上依次形成脊增益区、脊波导电隔离区和脊波导饱和吸收区，其中，脊波导电隔离区将脊增益区和脊波导饱和吸收区分隔开；在所述脊增益区侧边的任意位置形成侧边可调增益/吸收区，所述侧边可调增益/吸收区被施加的电压为反向偏压或者正向偏压，当在侧边可调增益/吸收区上施加反向偏压时，侧边可调增益/吸收区作为吸收区；当在侧边可调增益/吸收区上施加正向偏压时，侧边可调增益/吸收区作为增益区。
2.根据权利要求1所述的半导体锁模激光器，其特征在于，当侧边可调增益/吸收区为多段时，各段侧边可调增益/吸收区被施加的电压为相同方向或不同方向；通过用电泵浦所述侧边可调增益/吸收区能够优化光谱特性及光脉冲宽度和功率。
3.根据权利要求1或2所述的半导体锁模激光器，其特征在于，脊增益区、脊波导饱和吸收区以及侧边可调增益/吸收区上均设置平面电极，脊增益区、脊波导饱和吸收区以及侧边可调增益/吸收区的电极之间相互不相连。
4.根据权利要求1或2所述的半导体锁模激光器，其特征在于，所述脊增益区为长条形，所述脊波导电隔离区位于脊增益区沿长度方向的一端，脊增益区沿长度方向远离脊波导电隔离区的一端的端面为出光端面，出光端面镀有增透膜；在脊波导饱和吸收区远离脊波导电隔离区的一端的端面镀有高反射率的光学介质膜，端面与出光端面均垂直于脊增益区的长度方向。
5.根据权利要求1或2所述的半导体锁模激光器，其特征在于，在脊增益区一侧边的任意位置形成一段侧边电隔离区和所述侧边可调增益/吸收区，侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向；
或者，在脊增益区一侧边的任意位置并排间隔形成多段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区；每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向。
6.根据权利要求1或2所述的半导体锁模激光器，其特征在于，在脊增益区两侧边的任意位置各设置一段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向。
7.根据权利要求6所述的半导体锁模激光器，其特征在于，在脊增益区一侧边的侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区与另一侧边的侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区对称分布。
8.根据权利要求1或2所述的半导体锁模激光器，其特征在于，在脊增益区的两侧边各设置多段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区沿与脊增益区长度方向相垂直的方向层叠制备，每段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区均平行于脊增益区的长度方向。
9.根据权利要求8所述的半导体锁模激光器，其特征在于，脊增益区两侧边的各段侧边电隔离区和侧边可调增益/吸收区呈多段互补式对称分布或镜像对称分布。
10.根据权利要求1或2所述的半导体锁模激光器，其特征在于，所述半导体锁模激光器包括下波导层、有源区和上波导层，所述下波导层、有源区和上波导层依次设置构成光限制层中心区域，在所述下波导层下依次设置下分离限制层、衬底和下电极，在上波导层上依次设置上分离限制层、盖层、Si02电流隔离层和上电极。
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