CN107658694B - 一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片 - Google Patents

一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成混沌半导体激光器，具体是一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片。本发明有效解决了现有混沌激光源体积大、混沌信号带有时延特征、带宽窄以及光与光波导的耦合效率低的问题。随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片由：左分布式反馈半导体激光器，双向放大的半导体光放大器，左无源光波导部分，掺杂无源光波导部分，右无源光波导部分，右分布式反馈半导体激光器六部分组成。具体包括：N+电极层，N型衬底，InGaAsP下限制层，无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层，杂质，分布反馈Bragg光栅，InGaAsP上限制层，P型重掺杂的InP盖层，P型重掺杂InGaAs接触层，P+电极层，出光口，隔离沟。

Description

一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器 芯片
技术领域
本发明涉及集成混沌激光器，具体是一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片。
背景技术
近年来，混沌激光在保密通信、雷达、高速随机数产生、分布式光纤传感以及光纤网络故障检测等领域显示出重要的应用价值。为了更好地应用混沌激光，国内外的研究者们希望研究出体积小、性能稳定的集成混沌激光器芯片。目前集成混沌激光器芯片的研究已经取得了一些成果，国际上2008年希腊雅典大学Argyris等人研制了单片集成混沌半导体激光器芯片（Argyris A, Hamacher M, Chlouverakis K E, et al. Photonicintegrated device for chaos applications in communications[J]. Physicalreview letters, 2008, 100(19): 194101.），2010年12月，意大利帕维亚大学Annovazzi-Lodi等人、西班牙巴利阿里群岛大学Mirasso等人和德国海因里希-赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所Hamacher研制了带有空气隙的双反馈光子集成混沌半导体激光器（Tronciu VZ, Mirasso C R, Colet P, et al. Chaos generation and synchronization using anintegrated source with an air gap[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics,2010, 46(12): 1840-1846.），2011年日本NTT公司Sunada等人和琦玉大学Uchida联合研制了基于无源环形波导光反馈结构的新型混沌半导体激光器芯片（Harayama T, Sunada S,Yoshimura K, et al. Fast nondeterministic random-bit generation using on-chipchaos lasers[J]. Physical Review A, 2011, 83(3): 031803.），2017年日本埼玉大学Andreas Karsaklian Dal Bosco等人、早稻田大学Takahisa Harayama和NTT公司的Masanobu Inubushi研制出一种短腔光子集成电路（Dal Bosco A K, Ohara S, Sato N,et al. Dynamics versus feedback delay time in photonic integrated circuits:Mapping the short cavity regime[J]. IEEE Photonics Journal, 2017, 9(2): 1-12.）；国内，2013年西南大学夏光琼课题组与中科院半导体材料科学重点实验室合作研制了单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光（Wu J G, Zhao L J, Wu Z M, et al.Direct generation of broadband chaos by a monolithic integrated semiconductorlaser chip[J]. Optics express, 2013, 21(20): 23358-23364.）。值得注意的是，以上所研制出的单片集成混沌激光器芯片均采用了时延光反馈结构。但是，无论是多反馈腔还是单反馈腔，其反馈腔长都是固定值。固定的反馈腔长会使产生的混沌信号携带时延特征，使混沌信号具有一定的周期性，这对混沌激光在保密通信、高速随机数产生等领域的应用是非常不利的。
针对上述问题，2011年太原理工大学提出利用合适的散射体作为半导体激光器的连续反馈腔，为半导体激光器提供连续后向散射并放大，对半导体激光器造成随机扰动。此方法使反馈腔长不再是固定值，以此消除混沌激光器所产生的时延特征（见专利 ：一种光反馈混沌激光器，专利号 ：ZL201110198943.6）。然而，该混沌激光器是利用外部分立光学元件搭建而成的，体积大、易受环境影响、输出不稳定。2012年大连理工大学公开一种光注入型混沌光子集成器件及其制备方法（见专利 ：一种光注入型混沌光子集成器件，专利号：ZL201210349951.0），其特点是利用主分布式反馈半导体激光器DFB产生连续光，经半导体光放大器SOA放大后由无源光波导传输，然后注入从分布式反馈半导体激光器DFB，使从分布式反馈半导体激光器产生混沌激光DFB。其中半导体光放大器SOA为单向放大器，仅仅实现单注入强度的调节。然而，这种单注入型结构极易产生注入锁定，且单注入产生的混沌激光带宽窄、频谱不平坦、输出不稳定，而且往往包含两个激光器的拍频信息，会使混沌激光的频谱出现典型的拍频振荡成份（Wang A B, Wang Y C, Wang J F. Route to broadbandchaos in a chaotic laser diode subject to optical injection[J]. Opticsletters, 2009, 34(8): 1144-1146.）。2014年太原理工大学提出无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器（见专利 ：无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，专利号 ：ZL201410435033.9），该混沌激光器为混合集成混沌半导体激光器。其特点为左、右分布式反馈半导体激光芯片可以实现光互注入过程，利用掺铒的无源光波导给左、右分布式反馈半导体激光芯片提供随机光反馈扰动，互注入结合随机光反馈扰动使左分布式反馈半导体激光芯片产生输出无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光。该混合集成混沌半导体激光器的制作工艺涉及倒装贴片等技术，而利用倒装贴片将左、右分布式反馈半导体激光芯片发出的连续光与光波导耦合，耦合效率较低。
发明内容
本发明为了解决现有半导体激光器所产生的混沌激光带有时延特征、带宽窄的问题，提供了一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，包括如下结构：
一N型衬底；
一InGaAsP下限制层，外延生长在N型衬底上；
一无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层，外延生长在InGaAsP下限制层上；
一InGaAsP上限制层，外延生长在无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层上；
一P型重掺杂的InP盖层，为脊型，外延生长在InGaAsP上限制层中间；
一P型重掺杂InGaAs接触层，在P型重掺杂的InP盖层上；
一P+电极层，制作在P型重掺杂InGaAs接触层上，自左向右沿P+电极层的走向用三个隔离沟将P+电极层分为四段；
一N+电极层，制作在N型衬底的背面；
自左向右P+电极层的第一、第二、第四段分别对应为左分布式反馈半导体激光器、双向放大的半导体光放大器和右分布式反馈半导体激光器；P+电极层的第三段自左向右依次对应为左无源光波导部分，掺杂无源光波导部分和右无源光波导部分；P+电极层第一段作为左分布式反馈半导体激光器的正电极；P+电极层的第二段作为双向放大的半导体光放大器的正电极；P+电极层的第四段作为右分布式反馈半导体激光器部分的正电极；InGaAsP上限制层在对应于左、右分布式反馈半导体激光器的区域均刻蚀有分布反馈Bragg光栅。
所述掺杂无源光波导部分中掺有杂质，当连续光从中传输时会产生较强的随机后向散射光，因此该部分被称作连续反馈腔。然而杂质会有一定的扩散现象，为避免对双向放大的半导体光放大器和右分布式反馈半导体激光器造成污染，将掺杂无源光波导部分生长于两段无源光波导部分的中间。
所述左、右分布式反馈半导体激光器长度为500μm，为整个芯片提供光信号，其对应的分布反馈Bragg光栅材料为InP和InGaAsP，厚度为50至100nm，Bragg光栅周期为290nm，对应1550nm波段的激射峰；所述双向放大的半导体光放大器长度为200μm，用于双向放大光信号；所述左、右无源光波导部分，作用有两个：1、用于传输光信号，2、用于防止杂质扩散对双向放大的半导体光放大器和右分布式反馈半导体激光器造成污染；所述掺杂无源光波导部分长度为10mm，并且该部分生长过程中掺有一定浓度的杂质（杂质所在层对应于无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层；），掺杂无源光波导部分作用有两个：一是传输光信号，二是作为连续反馈腔，用于产生随机后向散射光给左、右分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈扰动。
所述左、右分布式反馈半导体激光器之间存在参数失配，二者的中心波长的频率差为10GHz至15GHz，二者的输出功率偏差低于70%。参数失配可以有效地抑制左、右分布式反馈半导体激光器互注入时发生的锁定同步效应。二者之间的频率差和功率偏差是综合考量随机光反馈和互注入两个过程中多维度扰动模式下提出的，是经过大量实验得到的数值范围。
左分布式反馈半导体激光器在集成芯片的左面与双向放大的半导体光放大器的左面相连，双向放大的半导体光放大器的右面与一段左无源光波导部分相连，左无源光波导部分与掺杂无源光波导部分的左面相连，掺杂无源光波导部分的右面与一段右无源光波导部分相连，右无源光波导部分与右分布式反馈半导体激光器的左面相连。左、右分布式反馈半导体激光器位于芯片的左右两侧是为了实现两个分布式反馈半导体激光器光互注入过程；而双向放大的半导体光放大器与左分布式反馈半导体激光器相连使得光经过掺杂无源光波导部分时，产生的随机后向散射光经双向放大的半导体光放大器放大后给左分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈扰动，最终由左分布式反馈半导体激光器输出混沌信号。
左分布式反馈半导体激光器发出连续光经双向放大的半导体光放大器放大，然后由一段左无源光波导部分传输给掺杂无源光波导部分，再由掺杂无源光波导部分和一段右无源光波导部分传输至右分布式反馈半导体激光器，给右分布式反馈半导体激光器提供光注入扰动；右分布式反馈半导体激光器发出连续光由右无源光波导部分传输至掺杂无源光波导部分，在经左无源光波导部分传输至双向放大的半导体光放大器，由双向放大的半导体光放大器放大后的光信号给左分布式反馈半导体激光器提供光注入扰动，至此实现了光互注入扰动的过程。与此同时，当左分布式反馈半导体激光器发出的连续光经双向放大的半导体光放大器放大后，经左无源光波导部分传输至掺杂无源光波导部分，在掺杂无源光波导部分中传输时会产生较强的随机后向散射光，产生的随机后向散射光再经左无源光波导部分传输至双向放大的半导体光放大器，经双向放大的半导体光放大器放大后给左分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈扰动；当右分布式反馈半导体激光器发出的连续光经过右无源光波导部分传输至掺杂无源光波导部分，在掺杂无源光波导部分会产生较强的随机后向散射光，随机后向散射光再经过右无源光波导部分传输至右分布式反馈半导体激光器，给右分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈扰动。由于该反馈腔是连续反馈腔，不存在固定的反馈腔长，因此可以实现无时延的混沌信号，而两个分布式反馈半导体激光器的互注入可以使混沌信号的带宽进一步的展宽。两个分布式反馈半导体激光器互注入结合随机光反馈扰动过程，使得最终可以得到无时延、宽带混沌激光信号并由左分布式反馈半导体激光器的左端输出。
在上述的两个过程中，双向放大的半导体光放大器不仅用于控制左、右分布式反馈半导体激光器相互注入的光功率大小，还用于控制掺杂无源光波导部分对左分布式反馈半导体激光器的随机光反馈强度，进而调节所产生的混沌激光的状态。同时调节左、右分布式反馈半导体激光器的偏置电流大小也可以调节左、右分布式反馈半导体激光器互注入的光功率大小。
与现有的混沌激光器相比，本发明提出的一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片利用互注入结合随机光反馈两个过程，有效解决了现有混沌激光源体积大、混沌激光带有时延特征、带宽窄的问题，使混沌信号在保密通讯、光纤故障检测、随机数产生等领域的应用更加有利，并有效推动了混沌激光在科学研究、工程技术等领域的价值。
本发明所述的随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，体积小、性能稳定，并且互注入和随机光反馈两个过程的结合，最终可以获得无时延的宽带的混沌激光信号。单片集成结构避免了混合集成混沌半导体激光器光与光波导耦合效率较低的难题。
本发明适用于混沌保密通信、混沌激光雷达、高速随机数产生、分布式光纤传感以及光纤网络故障检测等领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。图中：1-左分布式反馈半导体激光器，2-双向放大的半导体光放大器，3-左无源光波导部分，4-掺杂无源光波导部分，5-右无源光波导部分，6-右分布式反馈半导体激光器，7-N+电极层，8-N型衬底，9-InGaAsP下限制层，10-无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层，11-杂质，12-分布反馈Bragg光栅，13-InGaAsP上限制层，14-P型重掺杂的InP盖层，15-P型重掺杂InGaAs接触层，16-P+电极层，17-出光口，18-隔离沟。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，包括：左分布式反馈半导体激光器1、双向放大的半导体光放大器2、左无源光波导部分3、掺杂无源光波导部分4、右无源光波导部分5和右分布式反馈半导体激光器6，其中左无源光波导部分3、掺杂无源光波导部分4和右无源光波导部分5三部分是同时外延生长在InGaAsP下限制层9上，然后再在掺杂无源光波导部分4中掺入杂质，所掺入杂质可以是增益介质铒粒子或锌粒子等，具体方案如下：
一N型衬底8；
一InGaAsP下限制层9，外延生长在N型衬底8上，厚度为80至200nm，用于垂直方向限制载流子和光子；
一无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层10，外延生长在InGaAsP下限制层9上，厚度为80至200nm，用于将电能转化为光子，增益峰值对应1310nm或1550nm；
一InGaAsP上限制层13，外延生长在无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层10上，厚度为80至200nm，和InGaAsP下限制层9作用一样用于垂直方向限制载流子和光子；
一P型重掺杂的InP盖层14，为脊型，外延生长在InGaAsP上限制层13中间，脊宽为1.5至2.5μm，厚度为200nm至2000nm，作用为：一是限制光的侧向传播；二是掩埋分布反馈Bragg光栅12；
一P型重掺杂InGaAs接触层15，在P型重掺杂的InP盖层14上，厚度为80至200nm，引入重掺杂用于形成欧姆接触；
一P+电极层16，制作在P型重掺杂InGaAs接触层15上，制作材料由50nm的钛和500nm的金组成，所述P+电极层16用隔离沟18将其分为四段，左分布式反馈半导体激光器1和双向放大的半导体光放大器2中间的隔离沟18的宽度为20μm至50μm，隔离沟18是通过注入He+离子的方式使之成为高阻区从而实现的各电极之间的电隔离；
一N+电极层7，制作在N型衬底8的背面，制作材料为金锗镍/金，厚度为200至500nm。
所述左、右分布式反馈半导体激光器长度为500μm，为整个芯片提供光信号，其对应的分布反馈Bragg光栅12材料为InP和InGaAsP，厚度为50至200nm，Bragg光栅周期为290nm，对应1550nm波段的激射峰。所述双向放大的半导体光放大器2长度为200μm、所述掺杂无源光波导部分4长度为10mm。所述左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6之间存在参数失配，二者的中心波长的频率差为10GHz至15GHz，二者的输出功率偏差低于70%。参数失配可以有效抑制左分布式反馈半导体激光器1和右分布式反馈半导体激光器6互注入时发生的锁定同步效应，进一步保证无时延、宽带的混沌激光从左分布式反馈半导体激光器1的左端出光口17输出，且出光口镀反射率为0.1%的增透膜，更有利于混沌激光的输出。
左分布式反馈半导体激光器1发出连续光经一段双向放大的半导体光放大器2放大，然后经一段左无源光波导部分3传输至掺杂无源光波导部分4，然后由一段右无源光波导部分5传输至右分布式反馈半导体激光器6，给右分布式反馈半导体激光器6提供光注入扰动；右分布式反馈半导体激光器6发出连续光由一段右无源光波导部分5传输至掺杂无源光波导部分4，再经过掺杂无源光波导部分4和一段左无源光波导部分3传输至双向放大的半导体光放大器2，由双向放大的半导体光放大器2放大后的光信号给左分布式反馈半导体激光器1提供光注入扰动，至此实现了光互注入的过程。与此同时，当左分布式反馈半导体激光器1发出的连续光经双向放大的半导体光放大器2放大后，经一段左无源光波导部分3传输至掺杂无源光波导部分4，在掺杂无源光波导部分4中传输时，会产生较强的随机后向散射光，产生的随机后向散射光再由左无源光波导部分3传输至双向放大的半导体光放大器2，经双向放大的半导体光放大器2放大后给左分布式反馈半导体激光器1提供随机光反馈扰动；当右分布式反馈半导体激光器6发出的连续光经右无源光波导部分5传输至掺杂无源光波导部分4，在掺杂无源光波导部分4中会产生较强的随机后向散射光，随机后向散射光再由右无源光波导部分5传输至右分布式反馈半导体激光器6，给右分布式反馈半导体激光器6提供随机光反馈扰动。由于该反馈腔是连续反馈腔，不存在固定的反馈腔长，因此可以产生无时延的混沌激光，而两个分布式反馈半导体激光器的互注入可以使混沌信号的带宽进一步的展宽。
互注入过程结合随机光反馈两个过程的同时实现，使该集成芯片可以产生无时延、宽带的混沌激光，该混沌激光由左分布式反馈半导体激光器1左端出光口17输出。

Claims (5)

1.一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于，包括如下结构：
一N型衬底（8）；
一InGaAsP下限制层（9），外延生长在N型衬底（8）上；
一无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（10），外延生长在InGaAsP下限制层（9）上；
一InGaAsP上限制层（13），外延生长在无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（10）上；
一P型重掺杂的InP盖层（14），为脊型，外延生长在InGaAsP上限制层（13）中间；
一P型重掺杂InGaAs接触层（15），在P型重掺杂的InP盖层（14）上；
一P+电极层（16），制作在P型重掺杂InGaAs接触层（15）上，自左向右沿P+电极层（16）的排列走向用三个隔离沟（18）将P+电极层（16）分为四段；
一N+电极层（7），制作在N型衬底（8）的背面；
自左向右P+电极层（16）的第一、第二、第四段分别对应为左分布式反馈半导体激光器（1）、双向放大的半导体光放大器（2）和右分布式反馈半导体激光器（6）；P+电极层（16）的第三段自左向右依次对应为左无源光波导部分（3），掺杂无源光波导部分（4）和右无源光波导部分（5）；InGaAsP上限制层（13）在对应于左、右分布式反馈半导体激光器的区域均刻蚀有分布反馈Bragg光栅（12）；掺杂无源光波导部分（4）中掺有杂质（11）；左分布式反馈半导体激光器（1）的左端出光口镀反射率为0.1%的增透膜。
2.根据权利要求1所述的一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于，左、右分布式反馈半导体激光器长度分别为500μm，为整个芯片提供光信号，其对应的分布反馈Bragg光栅（12）材料为InP和InGaAsP，厚度为50至100nm，Bragg光栅周期为290nm，对应1550nm波段的激射峰；所述双向放大的半导体光放大器长度为200μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于，掺杂无源光波导部分（4）中掺有一定浓度的杂质（11），杂质（11）所在层对应于无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（10）；杂质（11）在连续光通过时，单位长度下可以产生较强的随机后向散射光，给左、右分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈扰动。
4.根据权利要求1或2所述的一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于，所述左、右分布式反馈半导体激光器之间存在参数失配，二者的中心波长的频率差为10GHz至15GHz，二者的输出功率偏差低于70%。
5.根据权利要求1或2所述的一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于，其左分布式反馈半导体激光器（1）在集成芯片的右面与双向放大的半导体光放大器（2）的左面相连，双向放大的半导体光放大器（2）的右面经过一段左无源光波导部分（3）后与掺杂无源光波导部分（4）的左面相连，掺杂无源光波导部分（4）的右面经过一段右无源光波导部分（5）后与右分布式反馈半导体激光器 （6）的左面相连，以此实现两个分布式反馈半导体激光器 的光互注入扰动过程。
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