CN113851925B - 一种光子集成的宽带混沌激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电子器件技术领域中的半导体激光器技术领域，公开了一种光子集成的宽带混沌激光器，包括：芯片衬底，制作于芯片衬底的第一表面的下波导层，制作于下波导层上的下限制层；制作于下限制层上的有源层，有源层包括依次排列的DFB区、放大区和无源波导区；制作于有源层上的上限制层，上限制层中与DFB区对应的位置制作有分布反馈Bragg光栅；制作于上限制层上的上波导层；制作于上波导层上的P接触层；制作于P接触层上的P电极层；P电极层和P接触层上设置有隔离沟，隔离沟设置在DFB区与放大区的分界处，使P电极层和P接触层被隔离成分别与DFB区、放大区对应的两部分。本发明可产生平坦度高的超宽带混沌激光。

Description

一种光子集成的宽带混沌激光器
技术领域
本发明属于光电子器件技术领域中的半导体激光器技术领域，具体涉及一种光子集成的宽带混沌激光器。
背景技术
混沌激光因其振荡类似于噪声，时域复杂无序，频域宽带，有高度自相关性，在保密通信、密钥的产生与分发、随机数生成、故障点检测、测距、传感等领域具有重大应用前景。
传统的光反馈半导体激光器产生的混沌信号能量集中在弛豫振荡频率附近，导致其80%能量带宽通常小于10 GHz，且频谱平坦度较差，影响通信中信息传输速率，限制随机数生成速率，同样在测距、故障检测时会制约测量精度，因此宽带平坦的混沌光源的研究十分必要。近年来，研究者提出了多种宽带平坦的混沌光源结构。例如，利用光注入可产生20GHz的混沌信号；基于光纤环形振荡器反馈的混沌信号的带宽为26.5 GHz，平坦度约±1.5dB；利用光外差拍频可产生带宽为14 GHz，平坦度波动1dB的白混沌信号；通过延迟自干涉自相位调制以及自相位调制与色散模块级联同样可以达到带宽增强的目的。然而，上述方法结构复杂，不利于同步，且难以集成。
现有的光子集成的混沌源主要分为光反馈结构和互耦合结构两大类。已报道的基于放大反馈的单片集成激光器芯片通过调节放大区和相位区电流能够直接输出混沌光，但其频谱带宽和平坦度仍需进一步提高。在反馈腔中集成无源波导和相位区构成多个反馈腔（Optics Express, Vol. 2110, P.23358-23364, 2013）、（IEEEJQuantum Elect, Vol.46, P. 1840-1846, 2010.）或集成增益区、相位区和无源波导（Opt. Express, Vol.18,P.5188-5198, 2010）形成复杂外腔，他们的带宽目前仅约10 GHz。基于互耦合结构的集成模块通常由两个DFB激光器构成，或在其中集成相位区（Opt. Express, Vol.22, P.5614-5622, 2014），其频谱带宽和平坦度仍需进一步提高。因此，结构简单的、可集成的光子宽带混沌激光源的需求仍十分迫切。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种光子集成的宽带混沌激光器，以产生高平坦度的宽带混沌光，适应高速通信、传感、信息安全等各种对宽带混沌激光应用的领域。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种光子集成的宽带混沌激光器，包括：芯片衬底；
制作于所述芯片衬底的第一表面的下波导层；
制作于所述下波导层上的下限制层；
制作于所述下限制层上的有源层，所述有源层包括依次排列的DFB区、放大区和无源波导区；
制作于所述有源层上的上限制层，所述上限制层中与所述DFB区对应的位置制作有分布反馈Bragg光栅；
制作于所述上限制层上的上波导层；
制作于所述上波导层上的P接触层；
制作于所述P接触层上的P电极层；所述P电极层和P接触层上设置有隔离沟，所述隔离沟设置在所述DFB区与放大区的分界处，使所述P电极层和P接触层被隔离成分别与DFB区、放大区对应的两部分。
所述的一种光子集成的宽带混沌激光器，还包括：制作于所述芯片衬底的第二表面的N电极层。
所述上限制层中的分布反馈Bragg光栅的材料为InP。
所述有源层中的DFB区的材料为InGaAsP材料，所述有源层（1-6）中的放大区的材料与所述有源层中的DFB区的材料相同，所述有源层（1-6）中的无源波导区的材料为无源波导材料。
所述DFB区的长度小于等于400μm。
本发明提供的宽带混沌激光器芯片可以用于宽带混沌信号的产生。宽带混沌信号的产生过程为：短腔DFB区发出的双模激光经过放大区和无源波导区；到达位于无源波导区右侧端面的高反膜处反射，最终反馈回短腔DFB区；由于激光器弛豫振荡频率、双模模式间的拍频频率以及复合腔频率的相互作用，低频的混沌振荡与高频振荡相互交叠，最终形成宽带混沌激光，从芯片输出宽带混沌信号。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种用于产生宽带混沌信号的光子集成的宽带混沌激光器，其中，DFB区采用短腔结构，腔长小于等于400μm，可提高集成激光器的弛豫振荡频率，进而提升输出激光的带宽。
2、本发明利用集成激光器的弛豫振荡频率、双模模式间的拍频频率以及复合腔频率的相互作用，使得频谱中低频的混沌振荡与高频振荡相互交叠，最终形成宽带混沌激光，由于双模是DFB激光器本身的特性，因此，本发明通过简单的光反馈方式，便能够产生平坦的宽带混沌激光，相较于多段集成激光器，本发明的结构简单。
3、本发明基于双模放大反馈实现，可直接输出宽带平坦的混沌光；现有技术中的放大反馈集成芯片主要用于实现激光器直调带宽的扩展，实现宽带混沌仍需再加入外部扰动器件，而且其输出的混沌光频谱平坦度较差，而本发明基于双模放大反馈实现混沌光的输出，其输出的混沌光带宽大，可以达到30GHz，而且平坦度高，可以达到小于3dB。
4、本发明的宽带混沌激光器可以依靠集成化的微纳制造工艺，保证了规模化生产时硬件的一致性，可进一步节约生产宽带混沌激光的成本，而且不需要多部件之间参数的深度匹配，整体具有极高的泛用性。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种光子集成的宽带混沌激光器的结构示意图；
图中，1-1为P电极层；1-2为P接触层；1-3为上波导层；1-4为分布反馈Bragg光栅；1-5为上限制层；1-6为有源层；1-7为下限制层；1-8为下波导层；1-9为芯片衬底；1-10为N电极层，1-11为隔离沟。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种光子集成的宽带混沌激光器，包括：
芯片衬底1-9；
制作于所述芯片衬底1-9的第一表面的下波导层1-8；
制作于所述下波导层1-8上的下限制层1-7；
制作于所述下限制层1-7上的有源层1-6，所述有源层1-6包括在长度方向依次排列的DFB区、放大区和无源波导区；
制作于所述有源层1-6上的上限制层1-5，所述上限制层1-5中与所述DFB区对应的位置制作有分布反馈Bragg光栅1-4；
制作于所述上限制层1-5上的上波导层1-3，其中所述上波导层1的宽度小于上限制层1-5；
制作于所述上波导层1-3上的P接触层1-2；
制作于所述P接触层1-2上的P电极层1-1；所述P电极层1-1和P接触层1-2上设置有隔离沟1-11，所述隔离沟1-11设置在所述DFB区与放大区的分界处，使所述P电极层1-1和P接触层1-2被隔离成分别与DFB区、放大区对应的两部分；
制作于所述芯片衬底的第二表面的N电极层1-10。
具体地，本实施例中，所述上限制层1-5中的分布反馈Bragg光栅1-4的材料为InP；所述有源层1-6中的DFB区的材料为InGaAsP材料，所述有源层1-6中的放大区的材料与所述有源层1-6中的DFB区的材料相同，所述有源层1-6中的无源波导区的材料为无源波导材料。P接触层1-2和P电极层1-1的长度与DFB区、放大区对应，宽度小于P接触层1-2，而且，隔离沟1-11设置在DFB区与放大区的分界处，贯穿至P接触层1-2的底部，将P电极层1-1和P接触层1-2隔离成分别与DFB区、放大区对应的两部分。
具体地，本实施例中，所述分布反馈Bragg光栅1-4仅制作于上限制层1-5中，其形成折射率耦合型DFB激光器，能够实现双模激射。具体地，本实施例中，所述DFB区的长度小于等于400μm，即本实施例中的DFB区为短腔DFB区，可有效提高集成激光器的弛豫振荡频率，进而提升输出激光的带宽。
本发明提供的一种宽带混沌激光器芯片用于产生宽带混沌激光信号。宽带混沌激光信号的产生过程为：短腔DFB区发出的双模激光经过放大区和无源波导区；到达位于无源波导区右侧端面的高反膜处反射，最终反馈回短腔DFB区；由于激光器弛豫振荡频率、双模模式间的拍频频率以及复合腔频率的相互作用，低频的混沌振荡与高频振荡相互交叠，最终形成宽带混沌激光，从芯片输出宽带混沌信号。也就是说，本发明利用DFB激光器本身的双模特性，通过简单的光反馈方式，便能够产生平坦的宽带混沌激光。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种光子集成的宽带混沌激光器，其特征在于，包括：
芯片衬底（1-9）；
制作于所述芯片衬底（1-9）的第一表面的下波导层（1-8）；
制作于所述下波导层（1-8）上的下限制层（1-7）；
制作于所述下限制层（1-7）上的有源层（1-6），所述有源层（1-6）由依次排列的DFB区、放大区和无源波导区组成；所述无源波导区的外侧端面设置有高反膜；
制作于所述有源层（1-6）上的上限制层（1-5），所述上限制层（1-5）中与所述DFB区对应的位置制作有分布反馈Bragg光栅（1-4）；所述分布反馈Bragg光栅（1-4）用于使DFB区形成折射率耦合型DFB激光器并输出双模激光；
制作于所述上限制层（1-5）上的上波导层（1-3）；
制作于所述上波导层（1-3）的P接触层（1-2）；
制作于所述P接触层（1-2）上的P电极层（1-1）；所述P电极层（1-1）和P接触层（1-2）上设置有隔离沟（1-11），所述隔离沟（1-11）设置在所述DFB区与放大区的分界处，使所述P电极层（1-1）和P接触层（1-2）被隔离成分别与DFB区、放大区对应的两部分。
2.根据权利要求1所述的一种光子集成的宽带混沌激光器，其特征在于，还包括：制作于所述芯片衬底的第二表面的N电极层（1-10）。
3.根据权利要求1所述的一种光子集成的宽带混沌激光器，其特征在于，所述上限制层（1-5）中的分布反馈Bragg光栅（1-4）的材料为InP。
4.根据权利要求1所述的一种光子集成的宽带混沌激光器，其特征在于，所述有源层（1-6）中的DFB区的材料为InGaAsP材料，所述有源层（1-6）中的放大区的材料与所述有源层（1-6）中的DFB区的材料相同，所述有源层（1-6）中的无源波导区的材料为无源波导材料。
5.根据权利要求1所述的一种光子集成的宽带混沌激光器，其特征在于，所述DFB区的长度小于等于400μm。
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