CN108011287A - 一种复合结构的可饱和吸收镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合结构的可饱和吸收镜，包括：衬底，位于所述衬底上的缓冲层，位于所述缓冲层上分布式布拉格反射镜，位于所述分布式布拉格反射镜上的量子点或量子阱可饱和吸收体，位于所述量子点或量子阱可饱和吸收体上石墨烯可饱和吸收体。本发明将石墨烯可饱和吸收体和量子点可饱和吸收体复合，或将石墨烯可饱和吸收体和量子阱可饱和吸收体复合，作为本发明所述可饱和吸收镜中的可饱和吸收体，提高了可饱和吸收体的热损伤阈值及光学性质稳定性，实现高功率短脉冲锁模，输出重复周期稳定、脉宽窄、响应时间短的超快激光脉冲。

Description

一种复合结构的可饱和吸收镜
技术领域
本发明涉及可饱和吸收镜，尤其涉及一种复合结构的可饱和吸收镜。
背景技术
半导体可饱和吸收反射镜又称Semiconductor Saturable Absorber Mirror即SESAM目前已经成为超快激光器中的至关重要的组成元件。应用半导体可饱和吸收反射镜的一个主要原因在于它可以不受谐振腔腔形设计的影响，可以在较宽的范围内对其线性、非线性光学特性进行控制，这使其在特定谐振腔中的应用具有更大的自由度。另外，由于它的大吸收截面，和由此产生的小饱和通量可以很好地抑制Q调制不稳定性，所以半导体可饱和吸收体是用于固态激光器被动锁模的理想器件。早在二十世纪九十年代，无论是理论计算还是实验结果表明被动锁模二极管泵浦激光器总是不能以连续波模式工作，发出的脉冲激光总是受到了Q调制，这大大限制了SESAM的应用与发展。1992年出现了第一个可以实现连续锁模的SESAM-反谐振法布里-珀罗可饱和吸收体。从那时起，人们开展了用作固态激光器被动锁模元件的SESAM的理论方面的研究，目的是为设计实际应用于激光器系统的SESAM奠定理论基础。在SESAM的理论研究的指导下，人们使超快激光器的一些重要性能得到了前所未有提高，例如进一步压缩脉冲宽度，提高被动锁模激光器的最高平均功率、峰值功率及重复频率。目前被普遍应用的半导体可饱和吸收体主要为半导体量子点或量子阱结构材料。
中国发明专利申请CN200410047946.X公布了一种表面高反型半导体可饱和吸收镜，所述半导体可饱和吸收镜从下至上包括衬底，缓冲层，布拉格反射镜，量子阱和高反膜。量子点或量子阱结构的可饱和吸收体有着超快的载流子动力学，可以稳定锁模，并且其超宽增益和吸收谱线也可以较好的窄化脉冲。此外，量子点或量子阱可饱和吸收体独特的物理性质还使其具有低饱和通量、工作波长连续可调、温度稳定等特点。但实际应用中，由于各种应变、晶格失配所产生的失配应力及结构中点缺陷、线缺陷等缺陷的存在，量子点和量子阱难以实现多周期重复生长，其锁模效果往往达不到理想值，而且由于其热损伤效应的存在，导致激光的输出功率无法得到大幅度提高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种复合结构的可饱和吸收镜，其中包括复合结构的可饱和吸收体，可以提高可饱和吸收体的热损伤阈值及光学性质稳定性，实现高功率短脉冲锁模，输出重复周期稳定、脉宽窄、响应时间短的超快激光脉冲。
为实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：
一种复合结构的可饱和吸收镜，包括：衬底，位于所述衬底上的缓冲层，位于所述缓冲层上分布式布拉格反射镜，位于所述分布式布拉格反射镜上的量子点或量子阱可饱和吸收体，位于所述量子点或量子阱可饱和吸收体上石墨烯可饱和吸收体。
优选地，所述量子点可饱和吸收体包括周期性叠层设置的至少一个量子点结构，所述量子点结构包括按照远离所述分布式布拉格反射镜的方向依次叠层设置的下限制层、量子点层、上限制层以及第一间隔层。
优选地，所述所述量子点可饱和吸收体包含的量子点结构的周期数为1～50个。
优选地，所述量子阱可饱和吸收体包括周期性叠层设置的至少一个单量子阱结构，所述单量子阱结构包括按照远离所述分布式布拉格反射镜的方向依次叠层设置的下势垒层、量子阱层、上势垒层以及第二间隔层。
优选地，所述量子阱可饱和吸收体包含的单量子阱结构的周期数为1～50个。
优选地，所述石墨烯可饱和吸收体包括按照远离所述量子点可饱和吸收体或量子阱可饱和吸收体的方向依次周期性相互交替叠层设置的支撑衬底层和石墨烯层。
优选地，所述石墨烯可饱和吸收体包括周期性相互交替层叠设置的支撑衬底层和石墨烯层，叠层设置周期为1～30个。
优选地，所述分布式布拉格反射镜包括周期性相互交替层叠设置20～60个周期的两种介质膜材料。
优选地，所述可饱和吸收体还包括高反膜，所述高反膜位于所述的石墨烯可饱和吸收体上；所述高反膜包括周期性相互交替层叠设置1～10个周期的两种介质膜材料。
优选地，所述缓冲层的厚度为200～500nm。
相比于现有技术，本发明提供的复合结构的可饱和吸收镜具有如下优点：通过将石墨烯可饱和吸收体与量子点可饱和吸收体复合，或将石墨烯可饱和吸收体与量子阱可饱和吸收体复合，作为本发明所述可饱和吸收镜中的可饱和吸收体，利用石墨烯的非线性可饱和吸收的特性，可以相应减少量子点或量子阱的重复生长周期的同时，实现可饱和吸收体双重锁模，提高了可饱和吸收体的调制深度；石墨烯具有的高热损伤阈值特性使得本发明具有复合结构的可饱和吸收体得以承受更高的入射激光功率，使得激光脉冲的输出功率得到提高；石墨烯的饱和驰豫时间非常短，有利于超快脉冲的产生；综上，采用本发明的具有复合结构的可饱和吸收镜能得到所需重复周期稳定、脉冲窄、响应时间短的超快激光脉冲输出。
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的说明：
图1为本发明实施例1中的可饱和吸收镜结构示意图；
图2为本发明实施例2中的可饱和吸收镜结构示意图；
图3为本发明实施例2中的可饱和吸收镜在1550nm波段的光学仿真模型；
图4为本发明实施例2中的可饱和吸收镜在1550nm波段的光学仿真电场分布情况示意图；
图5为本发明实施例2中的可饱和吸收镜在1550nm波段的光学仿真反射谱图。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯和量子点复合结构的可饱和吸收镜。如图1所示，所述石墨烯和量子点复合结构可饱和吸收镜结构从下到上依次包括衬底10，缓冲层20，分布式布拉格反射镜30，量子点可饱和吸收体40，石墨烯可饱和吸收体50以及高反膜60。
在本实施例中，所述衬底10选择采用半导体晶片，用于为整个可饱和吸收镜提供支撑，所述半导体晶片可以是GaAs、InP、GaSb等半导体晶片；所述缓冲层20采用外延生长与衬底10和分布式布拉格反射镜30材料晶格常数接近的半导材料进行制作，为使衬底10表面更为平整和为随后的布拉格反射镜30之间提供过渡，在本实施例中所述缓冲层20的材料采用GaAs。当然，在另外的实施例中，所述衬底10和缓冲层20也可以选择为本技术领域内通常使用的其他一些材料，所述缓冲层20厚度可以选择为200～500nm。
其中，所述分布式布拉格反射镜30包括两种折射率相差较大的介质材料301和302周期性相互交替叠层设置，相互交替层叠的周期数量可以选择为20～60个周期。进一步地，为增强反射率，所述介质材料301和302的厚度均为四分之一波长，即d＝λ/4n，其中d为介质层厚度，λ为工作波长、n为介质折射率。本实施例中介质材料301采用GaAs，介质材料302采用AlGaAs，在其他实施例中，根据工作波长和调制需求的不同，所述两种介质材料301和302的组合还可以是GaAs/AlGaAs、InP/InGaP、InGaP/InGaAsP以及GaAs/AlAs等。
其中，所述量子点可饱和吸收体40包括周期性叠层设置的至少一个量子点结构40a，所述量子点结构40a包括按照远离所述分布式布拉格反射镜30的方向依次叠层设置的下限制层401、量子点层402、上限制层403以及第一间隔层404。所述下限制层401的厚度可选择范围为2nm以下，所述上限制层403的厚度可选择为10nm以下，所述第一间隔层404的厚度可选择范围为10～50nm。在本实施例中，所述下限制层401选择采用InAlGaAs材料，所述量子点层402一般采用半导体合金材料，在本实施例中选择采用In1-xGaxAs材料，其中，0<x<1，所述量子点层402的尺寸和构成根据所需工作波长确定带隙，再由带隙值与固溶体比例和尺寸的关系式推算得到，所述上限制层403选择采用InAlGaAs材料，所述第一间隔层404选择采用GaAs材料。
其中，所述石墨烯可饱和吸收体50包括按照远离所述量子点可饱和吸收体40的方向依次叠层设置的相互交替排列周期生长的支撑衬底层501和石墨烯层502。所述石墨烯层502的位置和层数由所需工作波长和调制深度确定，本实施例中，支撑衬底层501和石墨烯层502的重复生长周期可以选择为1～30个，所述支撑衬底层501以GaAs为材料。石墨烯的位置根据内部电场强度分布进行选择，当石墨烯位于内部场强的波峰处，吸收能力最强，调制深度也会相应增大。此外，石墨烯的调制能力会随着层数的增加而减小。也就是说石墨烯的位置和层数由工作波长和调制深度确定。
其中，所述高反膜60包括两种具有高反射率的介质材料601和602周期性相互交替叠层设置，相互交替层叠的周期数量可以选择为1～10个周期，所述两种介质材料组合选择采用SiO2/Ti2O5，需要说明的是，在另外的一些实施例中，所述复合结构的可饱和吸收镜也可以不设置所述高反膜60。
本实施例提供的可饱和吸收镜，将石墨烯可饱和吸收体与量子点可饱和吸收体复合作为可饱和吸收镜中的可饱和吸收体，利用石墨烯的非线性可饱和吸收的特性，可以相应减少量子点结构的重复生长周期的同时，实现可饱和吸收体双重锁模，提高了可饱和吸收体的调制深度。
实施例2
本实施例提供了一种石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜，如图2所示，所述石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜结构从下到上依次包括衬底10，缓冲层20，布拉格反射镜30，量子阱可饱和吸收体70，石墨烯可饱和吸收体50以及高反膜60。其中，所述衬底10，缓冲层20，布拉格反射镜30，石墨烯可饱和吸收体50以及高反膜60的结构和材料都可以参照实施例1中的技术方案实现，在此不再赘述。与实施例1不同的是，本实施例中采用量子阱可饱和吸收体70代替了实施例1中的量子点可饱和吸收体40。
具体地，所述量子阱可饱和吸收体70包括周期性叠层设置的至少一个单量子阱结构70a，所述单量子阱结构70a包括按照远离所述分布式布拉格反射镜30的方向依次叠层设置的下势垒层701、量子阱层702、上势垒层703以及第二间隔层704。其中，所述下势垒层701的厚度可选择为30nm以下，所述上势垒层703的厚度可选择为30nm以下，所述第二间隔层704的厚度可选择为10～50nm。在本实施例中，所述量子阱下势垒层701选择采用GaNxAs1-x材料，其中0<x<1，所述量子阱层702选择采用GaInNAs材料，所述量子阱上势垒层703选择采用GaNAs材料，所述第二间隔层704选择采用GaAs材料。
本实施例提供的可饱和吸收镜，将石墨烯可饱和吸收体与量子阱可饱和吸收体复合作为可饱和吸收镜中的可饱和吸收体，利用石墨烯的非线性可饱和吸收的特性，可以相应减少量子阱结构的重复生长周期的同时，实现可饱和吸收体双重锁模，提高了可饱和吸收体的调制深度。
图3至图5示出了本发明利用时域差分有限差分光学仿真方法对1550nm波段的石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜的光学反射谱图以及内部光场强度进行模拟仿真。
图3示出了1550nm波段处石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜光学模拟模型，该模型为完全按照本发明中的石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜等尺寸构建，其中分布式布拉格反射镜30叠层设置的周期共26个，量子阱可饱和吸收体70叠层设置的周期为6个，石墨烯可饱和吸收体50叠层设置的周期为1个。由图中可以看出，从右往左依次为激光源，石墨烯可饱和吸收体50，量子阱可饱和吸收体70，布拉格反射镜30及衬底10。
如图4所示为1550nm波段石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜光学模拟电场分布谱图，根据目前关于量子阱可饱和吸收镜的结构相关实验报道中明确指出，当量子阱可饱和吸收体70位于内部电场的波峰处时，吸收能力最强。图4示出了从衬底10至高反膜60的方向，可饱和吸收镜模型的内部电场强度随距离增大的变化，以此确认可饱和吸收镜模型的量子阱可饱和吸收体70和石墨烯可饱和吸收体50对应在电场中的位置。如图4中，曲线L1对应的是量子阱可饱和吸收体70和石墨烯可饱和吸收体50都是位于内部电场的波峰处，曲线L2对应的是量子阱可饱和吸收体70位于内部电场的波峰处，而石墨烯可饱和吸收体50’则是位于内部电场的波谷处。其中，图4中，曲线L1和L2几乎完全重合，区别在于在7000nm和7800nm附近的波峰处，曲线L1对应的电场强度略大于曲线L2对应的电场强度。
如图5所示为1550nm波段石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜光学模拟反射谱图，附图中，曲线K1表示分布式布拉格反射镜30的反射图谱，可知在1550nm波段附近分布式布拉格反射镜30的反射能力接近100％，这一结果证明本发明设计的分布式布拉格反射镜30能达到符合实验要求的高反射率。曲线K2表示量子阱可饱和吸收体70位于内部电场的波峰处的反射图谱，从曲线K2可知，该结构对1550nm波段的光吸收在10-15％之间，由此说明本发明的结构中量子阱可饱和吸收体70的确能对1550nm波段光进行吸收，进一步证明本发明对量子阱可饱和吸收体70结构的设计也是有效合理的。曲线K3表示量子阱可饱和吸收体70位于内部电场的波峰处而石墨烯可饱和吸收体50位于内部场强的波谷处的反射图谱，如图5中，曲线K3和曲线K2几乎是重合的，即当石墨烯可饱和吸收体50位于内部场强的波谷处，对光几乎无吸收作用，这也充分验证了实验上指出的理论，即当可饱和吸收体位于内部场强的波谷位置处时，对光基本无吸收能力。曲线K4表示量子阱可饱和吸收体70和石墨烯可饱和吸收体50都是位于内部电场的波峰处的反射图谱，从曲线K4可知，其对光的吸收能力明显强于仅设置有量子阱可饱和吸体的吸收能力，该结构对1550nm波段的光吸收在20％左右，由此证明了石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜的确能实现相应的双重锁模作用。
需要说明的是，以上的模拟仿真是在理想状态下进行，没有考虑损耗、应变、缺陷等因素，实际操作中，因为存在各种影响因素及参数设置不完全相同的原因，得到的结果可能与本实施例所得结果不完全一致，但是，这并不影响模拟仿真实验验证本实施例中石墨烯和量子阱复合结构的可饱和吸收镜结构的确能实现相应的双重锁模作用。而且，通过本发明提供的复合结构的可饱和吸收镜能取得可饱和体的锁模效果的提高，得到所需重复周期稳定、脉冲窄和响应时间短的超快激光脉冲输出等技术效果，这一点是肯定的。
综上所述，本发明提供的可饱和吸收镜，将石墨烯可饱和吸收体和量子点可饱和吸收体复合，或将石墨烯可饱和吸收体和量子阱可饱和吸收体复合，作为本发明所述可饱和吸收镜中的可饱和吸收体，提高了可饱和吸收体的热损伤阈值及光学性质稳定性，实现高功率短脉冲锁模，输出重复周期稳定、脉宽窄、响应时间短的超快激光脉冲。
另外，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合结构的可饱和吸收镜，其特征在于，包括：
衬底；
缓冲层，位于所述衬底上；
分布式布拉格反射镜，位于所述缓冲层上；
量子点或量子阱可饱和吸收体，位于所述分布式布拉格反射镜上；
石墨烯可饱和吸收体，位于所述量子点或量子阱可饱和吸收体上。
2.根据权利要求1所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述量子点可饱和吸收体包括周期性叠层设置的至少一个量子点结构，所述量子点结构包括按照远离所述分布式布拉格反射镜的方向依次叠层设置的下限制层、量子点层、上限制层以及第一间隔层。
3.根据权利要求2所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述量子点可饱和吸收体包含的量子点结构的周期数为1～50个。
4.根据权利要求1所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述量子阱可饱和吸收体包括周期性叠层设置的至少一个单量子阱结构，所述单量子阱结构包括按照远离所述分布式布拉格反射镜的方向依次叠层设置的下势垒层、量子阱层、上势垒层以及第二间隔层。
5.根据权利要求4所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述量子阱可饱和吸收体包含的单量子阱结构的周期数为1～50个。
6.根据权利要求1-5任一所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述石墨烯可饱和吸收体包括按照远离所述量子点可饱和吸收体或量子阱可饱和吸收体的方向依次周期性相互交替叠层设置的支撑衬底层和石墨烯层。
7.根据权利要求6所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述石墨烯可饱和吸收体包括周期性相互交替层叠设置的支撑衬底层和石墨烯层，叠层设置周期为1～30个。
8.根据权利要求1所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜包括周期性相互交替层叠设置20～60个周期的两种介质膜材料。
9.根据权利要求1所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述可饱和吸收体还包括高反膜，所述高反膜位于所述的石墨烯可饱和吸收体上；所述高反膜包括周期性相互交替层叠设置1～10个周期的两种介质膜材料。
10.根据权利要求1所述的可饱和吸收镜，其特征在于，所述缓冲层的厚度为200～500nm。
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