CN107809059B - 基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片 - Google Patents

基于随机分布布拉格反射光栅的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激光器，具体是基于随机分布布拉格反射光栅的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、带宽窄的问题。基于随机分布布拉格反射光栅的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SOA，随机分布布拉格反射光栅部分，右分布式反馈半导体激光器四部分组成。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，随机分布布拉格反射光栅层，分布反馈Bragg光栅，InGaAsP上限制层，P型重掺杂InP盖层，P型重掺杂InGaAs接触层，P+电极层，出光口，隔离沟。

Description

基于随机分布布拉格反射光栅的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，具体是基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片。
背景技术
近年来，混沌激光是光通信产业的热门话题之一，混沌激光在保密通信、混沌激光雷达、高速随机数产生、分布式光纤传感以及混沌超宽带脉冲(UWB)信号产生等领域的应用快速发展，显示出重要的应用价值。混沌激光是半导体激光器输出不稳定性的一种特殊形式，目前混沌激光源都是在实验室利用半导体激光器加上各种外部分立光学元件搭建而成的具有体积庞大，易受环境影响、输出不稳定的特点。
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, HamacherM, Chlouverakis K E, et al. Photonic integrated device for chaos applicationsin communications[J]. Physical review 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 V Z, Mirasso C R, Colet P, et al. Chaosgeneration and synchronization using an integrated 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. Fastnondeterministic random-bit generation using on-chip chaos lasers[J].Physical Review A, 2011, 83(3): 031803.），2017年日本埼玉大学Andreas KarsaklianDal 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 versusfeedback delay time in photonic integrated circuits: Mapping the short cavityregime[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 ofbroadband chaos by a monolithic integrated semiconductor laser chip[J].Optics express, 2013, 21(20): 23358-23364.）。目前，所研制出的单片集成混沌激光器芯片产生混沌激光的方式均采用了时延光反馈结构。值得注意的是，目前所制作出的混沌激光器，无论是单反馈腔和多反馈腔其反馈腔长都是固定值。固定的反馈腔长使产生的混沌信号携带时延特征信号，也即是说使混沌信号带有周期，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。
为了消除时延特征，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产生连续光，经双向放大的半导体光放大器SOA放大后由无源光波导传输，最后注入从分布式反馈半导体激光器，使从分布式反馈半导体激光器产生混沌激光。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, WangJ F. Route to broadband chaos in a chaotic laser diode subject to opticalinjection[J]. Optics letters, 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两个过程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。虽然该结构可以解决以上的问题，但是左、右分布式反馈半导体激光芯片发出的连续光在光波导中的耦合效率较低，这是该混合集成混沌激光器的难点。2017年，太原理工大学通过实验证明了利用啁啾光纤光栅可以抑制混沌信号的时延特征（Wang D M, Wang L S, ZhaoT, Gao H, Wang Y C, Chen X F, Wang A B. Time delay signature elimination ofchaos in a semiconductor laser by dispersive feedback from a chirped FBG[J].Optics Express, 2017, 25(10): 10911-10924.），但是啁啾光纤光栅的反射频率具有一定的周期或规律，且该实验是利用分立器件搭建而成的。
基于此，本发明提出一种基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，单片集成结构体积小、性能稳定。本发明采用互注入和随机光反馈两种扰动过程同时进行，最终可以产生无时延宽带的混沌激光信号。单片集成结构避免了混合集成混沌激光器所存在的光与光波导的耦合效率较低的难题。
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、信号带宽窄等问题，提供了一种基于随机分布布拉格反射光栅的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：基于随机分布布拉格反射光栅的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InP盖层，为条状，外延生长在InGaAsP上限制层中间；
一P型重掺杂InGaAs接触层，外延生长在P型重掺杂InP盖层上；
一P+电极层，制作在P型重掺杂InGaAs接触层上，P+电极层由左向右开有三个隔离沟将其分为四段；
一N+电极层，制作在N型衬底的背面；
所述激光器芯片由左向右对应于P+电极层的四段部分分为如下四段：左分布式反馈半导体激光器、双向放大的半导体光放大器SOA、随机分布布拉格反射光栅部分、右分布式反馈半导体激光器；随机分布布拉格反射光栅部分中利用相位掩膜法刻有随机分布布拉格反射光栅层；InGaAsP上限制层中掩埋分布反馈Bragg光栅。
所述分布式反馈半导体激光器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200nm，Bragg光栅周期为290nm，对应1550nm波段的激射峰。
所述左、右分布式反馈半导体激光器长度为500μm，用于产生连续光信号；所述双向放大的半导体光放大器SOA长度为200μm，用于双向放大光信号；值得注意的是在随机分布布拉格反射光栅部分，利用相位掩膜法刻有随机分布布拉格反射光栅层，所述随机分布布拉格反射光栅部分长度为4至10mm，随机分布布拉格反射光栅层使连续光从中传输时产生较强的随机反射光。该部分作为连续反馈腔，其作用有两个：一是传输光信号，二是用于给左、右分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈。
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。
所述随机分布布拉格反射光栅层和无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层存在折射率差，使得连续光从双向放大的半导体光放大器SOA和右分布式反馈半导体激光器进入随机分布布拉格反射光栅层时发生反射。
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SOA的左面相连，双向放大的半导体光放大器SOA的右面与随机分布布拉格反射光栅部分的左面相连，随机分布布拉格反射光栅部分的右面与右分布式反馈半导体激光的左面相连。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SOA与左分布式反馈半导体激光器相连使得光经过随机分布布拉格反射光栅部分时产生随机光反馈信号，随机光反馈信号再经双向放大的半导体光放大器SOA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，但是给右分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈扰动的过程中不经过双向放大的半导体光放大器SOA放大随机反馈光信号，这使得两个分布式反馈半导体激光器产生混沌激光过程不完全一样，从而可以得到两种不同的混沌激光。
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SOA放大，然后由随机分布布拉格反射光栅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随机分布布拉格反射光栅部分传输至双向放大的半导体光放大器SOA，由双向放大的半导体光放大器SOA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SOA放大后，在随机分布布拉格反射光栅部分中传输时，产生随机反射光，产生的随机反射光再由双向放大的半导体光放大器SOA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随机分布布拉格反射光栅部分时，产生随机反射光，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。在上述的两个过程中，双向放大的半导体光放大器SOA可用于控制左、右分布式反馈半导体激光器相互注入的光功率大小和随机分布布拉格反射光栅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。
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、宽带的混沌激光信号，并且该信号的输出可以从左分布式反馈半导体激光器的左端输出，也可以从右分布式反馈半导体激光器的右端输出。以下以从左分布式反馈半导体激光器的左端输出为例。
与现有的混沌激光器相比，本发明提出的基于随机分布布拉格反射光栅的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。
本发明适用于混沌保密通信、高速真随机密钥产生、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪、分布式光纤传感以及混沌超宽带脉冲(UWB)信号产生等领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，本专利以混沌光信号从左分布式反馈半导体激光器的左端输出为例。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SOA，3-随机分布布拉格反射光栅部分，4-右分布式反馈半导体激光器，5-N+电极层，6-N型衬底，7-InGaAsP下限制层，8-无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层，9-随机分布布拉格反射光栅层，10-分布反馈Bragg光栅，11-InGaAsP上限制层，12-P型重掺杂InP盖层，13-P型重掺杂InGaAs接触层，14-P+电极层，15-出光口，16-隔离沟。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于随机分布布拉格反射光栅的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SOA2、随机分布布拉格反射光栅部分3和右分布式反馈半导体激光器4，具体方案如下：
一N型衬底6；
一InGaAsP下限制层7，外延生长在N型衬底6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8，外延生长在InGaAsP下限制层7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11，外延生长在无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层上8，厚度为80至200nm，和InGaAsP下限制层7作用一样用于垂直方向限制载流子和光子；
一P型重掺杂InP盖层12，为条状，外延生长在InGaAsP上限制层11中间，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10；
一P型重掺杂InGaAs接触层13，在P型重掺杂InP盖层12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14，制作在P型重掺杂InGaAs接触层上13，制作材料为50nm的钛和500nm的金组成，所述P+电极层14用三段隔离沟16将其分为四段，隔离沟16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5，制作在N型衬底6的背面，制作材料为金锗镍/金，厚度为200至500nm。
所述分布式反馈半导体激光器为整个芯片提供光信号，其对应的分布反馈Bragg光栅10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；所述左分布式反馈半导体激光器长度为500μm；所述双向放大的半导体光放大器SOA2长度为200μm；所述随机分布布拉格反射光栅部分3长度为4至10mm，且所述随机分布布拉格反射光栅部分3中利用相位掩膜法刻有随机分布布拉格反射光栅层9；所述右分布式反馈半导体激光器4长度为500μm。
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4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4互注入时发生的锁定同步效应，进一步保证左分布式反馈半导体激光器1或者右分布式反馈半导体激光器4输出无时延、宽带的混沌激光。本发明中以混沌激光从左分布式反馈半导体激光器1的左端出光口15为例，出光口镀增透膜有利于混沌激光的输出。
左分布式反馈半导体激光器1发出连续光经双向放大的半导体光放大器SOA2放大，然后由随机分布布拉格反射光栅部分3传输至右分布式反馈半导体激光器4，给右分布式反馈半导体激光器4提供光注入扰动；右分布式反馈半导体激光器4发出连续光由随机分布布拉格反射光栅部分3传输至双向放大的半导体光放大器SOA2，由双向放大的半导体光放大器SOA2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SOA2放大后，在随机分布布拉格反射光栅部分3中传输产生随机反射光，随机反射光再由双向放大的半导体光放大器SOA2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4发出的连续光在随机分布布拉格反射光栅部分3中传输时产生随机反射光，给右分布式反馈半导体激光器4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。
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、宽带的混沌激光信号，该混沌信号由左分布式反馈半导体激光器1的左端的出光口15输出。

Claims (5)

1.基于随机分布布拉格反射光栅的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（6）；
一InGaAsP下限制层（7），外延生长在N型衬底（6）上；
一无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（8），外延生长在InGaAsP下限制层（7）上；
一InGaAsP上限制层（11），外延生长在无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（8）上；
一P型重掺杂InP盖层（12），为条状，外延生长在InGaAsP上限制层（11）中间；
一P型重掺杂InGaAs接触层（13），外延生长在P型重掺杂InP盖层（12）上；
一P+电极层（14），制作在P型重掺杂InGaAs接触层（13）上，P+电极层（14）由左向右开有三个隔离沟（16）将其分为四段，
一N+电极层（5），制作在N型衬底（6）的背面；
所述激光器芯片由左向右对应于P+电极层的四段部分，分为如下四段：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SOA（2）、随机分布布拉格反射光栅部分（3）、右分布式反馈半导体激光器（4）；随机分布布拉格反射光栅部分（3）中利用相位掩膜法刻有随机分布布拉格反射光栅层（9）；InGaAsP上限制层（11）上在对应于左、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（10）。
2.根据权利要求1所述的基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于：其中左分布式反馈半导体激光器（1）的长度为500μm；双向放大的半导体光放大器SOA（2）的长度为200μm，随机分布布拉格反射光栅部分（3）的长度为4至10mm，右分布式反馈半导体激光器（4）的长度为500μm。
3.根据权利要求1所述的基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于：随机分布布拉格反射光栅部分（3）和双向放大的半导体光放大器SOA（2）、右分布式反馈半导体激光器（4）之间存在折射率差，起到光耦合和光随机反馈的作用；随机分布布拉格反射光栅部分（3）会给左、右分布式反馈半导体激光器提供随机光反馈，使得其产生无时延特征信号的混沌光。
4.根据权利要求1~3任一项所述的基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于：分布反馈Bragg光栅（10）的材料为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。
5.根据权利要求1~3任一项所述的基于随机分布布拉格反射光栅的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%。
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