CN114284861B - 基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体光电子领域，公开了一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，包括设置在同一衬底上，并从左至右依次设置的左分布式布拉格光栅区、左分布式反馈激光器区、半导体光放大区、右分布式反馈激光器区、右分布式布拉格光栅区；所述激光器芯片的电极层上设置有隔离沟，所述隔离沟将所述电极层隔离成与所述五个区分别对应的五个电极；所述激光器芯片的上限制层上与所述左分布式布拉格光栅区和右分布式布拉格光栅区对应的位置刻蚀有布拉格光栅；所述激光器芯片的上限制层上与所述左分布式反馈激光器区和右分布式反馈激光器区对应的位置刻蚀有/波长相移光栅。本发明可以实现宽带且频谱平坦、无时延特征的混沌激光输出。

Description

基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，特别是涉及一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器。

背景技术

混沌激光具有内在随机性、初值敏感性、低相干性、宽频谱等特性。近年来，混沌激光在保密光通信、超宽带技术、激光雷达、光纤网络故障检测、分布式光纤传感等领域都具有重要的应用价值。

半导体激光器具有体积小，价格低，易集成等优点，利用半导体激光器产生混沌激光受到研究人员的广泛关注。半导体激光器为B类激光器，通过增加外部扰动，如光反馈，光电反馈，光注入以及互注入等，可以使半导体激光器产生混沌激光。然而，目前基于半导体激光器产生混沌激光的研究主要集中于分立的光电器件，它们通常体积庞大，结构复杂而且稳定性较差，难以实用。因此，发展光子集成的半导体混沌激光器是必然趋势。

光子集成混沌半导体激光器在国外已有一些报道，希腊雅典大学和德国海因里希－赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所Argyris等研制的混沌芯片，它由分布式反馈激光源，增益/吸收区，相位控制区构成[ Physical Review Letters , 100 (19): 194101 ,2008 ]。西班牙巴利阿里群岛大学Tronciu等研制混沌激光器，这是具有三个外腔的集成多腔半导体激光器芯片[ IEEE Journal of Quantum Electronics , 46(12): 1840-4846 ,2010 ]。日本埼玉大学和NTT通信科学实验室Sunada等研制的集成混沌芯片，包含一个DFB激光器、两个独立的半导体光放大器、环形无源光波导以及一个快速光电探测器[ OpticsExpress , 19(7): 5713-5724 , 2011 ]。在国内对光子集成混沌激光源也有相关报道。比如：太原理工大学张明江等人提出的集成短腔混沌半导体激光器，它是由分布反馈激光器，准直透镜，半透半反镜组成[ IEEE Photonics Technology Letter , 29(12): 1911-1914 , 2017 ]。

然而，以上方案均采用延时光反馈结构产生混沌激光，其产生的混沌激光带有明显的时延特征。而且，光反馈产生的混沌激光能量主要集中在驰豫振荡频率附近，导致其频谱不平坦，带宽较窄。这些缺点将极大地限制混沌激光的应用。

针对上述问题，2014年，太原理工大学王云才等人提出了一种无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，两个分布式反馈半导体激光器实现互注入，掺铒的无源光波导为两个激光器提供随机光反馈，激光器芯片能够产生无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光。该芯片采用混合集成方式，利用倒装贴片技术将两个分布式反馈半导体激光器发出的连续光与光波导耦合，耦合效率较低 (无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器, ZL201410435033.9)。2017年，太原理工大学张明江等人提出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，两个分布式反馈半导体激光器实现互注入，掺杂无源光波导产生随机光反馈构成分布式反馈腔，从原理上消除时延特征。该芯片利用掺杂无源光波导结构，制作工艺复杂 (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,CN201711140218.7)。

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：提供一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，以消除输出混沌提高的时延特征，并提高耦合效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，包括设置在同一衬底上，并从左至右依次设置的左分布式布拉格光栅区、左分布式反馈激光器区、半导体光放大区、右分布式反馈激光器区、右分布式布拉格光栅区；

所述激光器芯片的电极层上设置有隔离沟，所述隔离沟将所述电极层隔离成从左至右依次与左分布式布拉格光栅区、左分布式反馈激光器区、半导体光放大区、右分布式反馈激光器区、右分布式布拉格光栅区对应的五个电极；

所述激光器芯片的传输层上与所述左分布式反馈激光器区、半导体光放大区、右分布式反馈激光器区对应的位置设置有多量子阱结构；

所述激光器芯片的上限制层上与所述左分布式布拉格光栅区和右分布式布拉格光栅区对应的位置刻蚀有布拉格光栅；所述激光器芯片的上限制层上与所述左分布式反馈激光器区和右分布式反馈激光器区对应的位置刻蚀有/波长相移光栅。

所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，包括自下而上依次设置的衬底层、下限制层、传输层、上限制层、盖层和电极层。

所述盖层为条状，其宽度小于所述上限制层。

所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其外侧两个端面的反射率分别为90%和10%。

左分布式布拉格光栅区、左分布式反馈激光器区、半导体光放大区、右分布式反馈激光器区、右分布式布拉格光栅区偏振电流分别控制；

所述左分布式反馈激光器区与右分布式反馈激光器区的中心波长频率差为10GHz~15 GHz，二者的输出功率偏差低于70％。

所述左分布式布拉格光栅区和右分布式布拉格光栅区对应的传输层均采用无源体材料制作。

所述布拉格光栅的周期为242.2nm。

所述多量子阱结构为InGaAsP材料制成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其基于互注入联合分布式布拉格光栅反馈以实现混沌激光的产生，能够突破驰豫振荡频率的限制，最终输出宽带且频谱平坦的混沌激光。而且，本发明基于单片集成的方式进行实现，即激光器区与波导区基于同一衬底，统一集成工艺直接制作而成，不存在波导对接带来的额外耦合损耗。

2、本发明在互注入结构中集成了分布式布拉格光栅作为分布式外腔反馈结构，消除了混沌激光由于固定外腔反馈结构引入的时延特征。

3、本发明的激光器芯片结构基于光子集成实现，输出稳定，更有利于实现混沌激光的实用化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器的结构示意图；

图中： 1-左分布式布拉格光栅区，2-左分布式反馈激光器区，3-半导体光放大区，4-右分布式反馈激光器区，5-右分布式布拉格光栅区，6为衬底层，7为下限制层，8为传输层，9为上限制层，10为盖层，11为电极层，12为隔离沟，13为布拉格光栅，14为1/4波长相移光栅，15为多量子阱结构。

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基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，包括设置在同一衬底上，并从左至右依次设置的左分布式布拉格光栅区1、左分布式反馈激光器区2、半导体光放大区3、右分布式反馈激光器区4、右分布式布拉格光栅区5。

具体地，本发明中，光子集成混沌半导体激光器芯片包括自下而上依次设置的衬底层6、下限制层7、传输层8、上限制层9、盖层10和电极层11。

如图1所示，所述激光器芯片的电极层11上设置有隔离沟12，所述隔离沟12将所述电极层11隔离成从左至右依次与左分布式布拉格光栅区1、左分布式反馈激光器区2、半导体光放大区3、右分布式反馈激光器区4、右分布式布拉格光栅区5对应的五个电极。所述激光器芯片的传输层8上与所述左分布式反馈激光器区2、半导体光放大区3、右分布式反馈激光器区4对应的位置设置有多量子阱结构15；所述激光器芯片的上限制层9上与所述左分布式布拉格光栅区1和右分布式布拉格光栅区5对应的位置刻蚀有布拉格光栅13；所述激光器芯片的上限制层9上与所述左分布式反馈激光器区2和右分布式反馈激光器区4对应的位置刻蚀有1/4波长相移光栅14。

进一步地，本实施例中，所述盖层10为条状，其宽度小于所述上限制层9。

本实施例中，各个区之间的电极之间制作隔离沟，各个区之间的电流控制是独立的，能够控制各个区的偏置电流和温度以控制芯片的输出特性。

其中，所述左分布式反馈激光器区2与右分布式反馈激光器区4的传输层8均采用InGaAsP材料的多量子阱结构制作，左分布式反馈激光器区2的上限制层9刻蚀有1/4波长相移光栅，同样的，右分布式反馈激光器区4的上限制层9也刻蚀有1/4波长相移光栅，以实现左分布式反馈激光器区2和右分布式反馈激光器区4均工作在单模状态。通过改变左分布式反馈激光器区2的偏置电流和工作温度可改变其中心波长，通过调节左分布式反馈激光器区2的偏置电流可调节其输出功率；同样的，通过改变右分布式反馈激光器区4的偏置电流和工作温度可改变其中心波长，通过调节右分布式反馈激光器区4的偏置电流可调节其输出功率。左分布式反馈激光器区2发出的光会注入右分布式反馈激光器区4并对其光场进行扰动，同时右分布式反馈激光器区4发出的光也会注入左分布式反馈激光器区2对其光场产生扰动从而产生混沌激光。其中，通过调节左分布式反馈激光器区1与右分布式反馈激光器区2的偏置电流，从而调节左分布式反馈激光器区1与右分布式反馈激光器区2的中心波长频率以及输出功率。左分布式反馈激光器区2与右分布式反馈激光器区4的中心波长频率差为10 GHz至15 GHz，二者的输出功率偏差低于70％，即两个激光器区工作时，功率较小的激光器区的功率不得低于较大的激光器区功率的70%，以免发生注入锁定效应。参数失配能够有效地抑制左分布式反馈激光器区2与右分布式反馈激光器区4发生互注入效应时产生的注入锁定效应，左分布式反馈激光器区2和右分布式反馈激光器区4对应的中心频率存在一定的频率失谐还可以增强输出混沌激光的带宽。

其中所述左分布式布拉格光栅区1和右分布式布拉格光栅区5对应的传输层均采用无源的InGaAsP材料制作，左分布式布拉格光栅区1和右分布式布拉格光栅区5的上限制层刻蚀有光栅周期为242.2nm的布拉格光栅，根据公式λg=2*有效折射率*光栅周期可知，其对应的布拉格波长约为1550nm。左分布式反馈激光器区2发出的光通过左分布式布拉格光栅区1后，部分光被反射回左分布式反馈激光器区2，从而引入了外腔反馈，对左分布式反馈激光器区2的内部光场产生扰动。同样的，右分布式反馈激光器区4发出的光通过右分布式布拉格光栅区5后，部分光被反射回右分布式反馈激光器区4，从而引入了外腔反馈，对右分布式反馈激光器区4的内部光场产生扰动。通过分别调节左分布式布拉格光栅区1和右分布式布拉格光栅区5的偏置电流，使左分布式布拉格光栅区1的中心波长与左分布式反馈激光器区2的激射波长对准，右分布式布拉格光栅区5的中心波长与右分布式反馈激光器区4的激射波长对准。在左分布式布拉格光栅区1和右分布式布拉格光栅5的反馈下，左分布式反馈激光器区2和右分布式反馈激光器区4产生的激光光频成分增加，光谱展宽。通过分布式外腔反馈作用，本发明的激光器芯片可以消除固定外腔反馈下混沌激光所带来的时延特性。

其中所述半导体光放大区3用于双向放大光信号。半导体光放大区3采用InGaAsP材料的多量子阱结构进行制作。通过调节半导体光放大区3顶部的偏置电流可以调节半导体光放大区3的增益，能起到调节左分布式反馈激光器芯片区和右分布式反馈激光器芯片区互注入强度的作用，同时半导体光放大区3具有自发辐射噪声（ASE），将半导体光放大区3中的自发辐射噪声（ASE）随机注入到左分布式反馈激光器区2和右分布式反馈激光器区4中能对左分布式反馈激光器区2和右分布式反馈激光器区4中的内部光场产生随机扰动。

具体工作时，左分布式反馈激光器区2发出连续光传输至左分布式布拉格光栅区1，经左分布式布拉格光栅区1反馈后，引入多个外腔谐振模式，输出光的光频成分增加、光谱展宽，光谱展宽后的注入光经由半导体光放大区3放大后传输至右分布式反馈激光器区4，为右分布式反馈激光器区4提供光注入扰动；同样地，右分布式反馈激光器区4发出连续光传输至右分布式布拉格光栅区5，经右分布式布拉格光栅区5反馈后，输出光的光频成分增加、光谱展宽，光谱展宽后的注入光经由半导体光放大区3放大后传输至左分布式反馈激光器区2，为左分布式反馈激光器区2提供光注入扰动。左分布式反馈激光器区2和右分布式反馈激光器区4的输出的连续光分别经左分布式布拉格光栅区1和右分布式布拉格光栅区5扰动后，发生光谱展宽并实现互注入，通过拍频效应产生新的频率成分，能够输出宽带的混沌激光。

左分布式反馈激光器区2发出连续光传输至左分布式布拉格光栅区1，在左分布式布拉格光栅区1中传输时受到光栅的分布式反馈作用，部分光被反射，再传输回左分布式反馈激光器区2，为左分布式反馈激光器区2提供分布式光反馈扰动；右分布式反馈激光器区4发出连续光传输至右分布式布拉格光栅区5，在右分布式布拉格光栅区5中传输时受到光栅的分布式反馈作用，部分光被反射回右分布式反馈激光器区4，为右分布式反馈激光器区4提供分布式光反馈扰动。左分布式布拉格光栅区1与左分布式反馈激光器区2构成的谐振腔以及右分布式反馈激光器区4与右分布式布拉格光栅区5构成的反馈腔为分布式反馈腔，可以通过调节左分布式布拉格光栅区1的偏置电流以及有分布式布拉格光栅区5的偏置电流来调节这两个区的有效折射率从而导致反馈腔长不固定，从原理上能够产生无时延的混沌激光。

其中所述的基于互注入联合分布式布拉格光栅反馈的光子集成混沌半导体激光器在左分布式布拉格光栅区1左侧的端面为自然解理面，反射率为0.32，或者为提高反馈光强度而镀增反膜，反射率可增大至0.9。其中所述的基于互注入联合分布式布拉格光栅反馈的光子集成混沌半导体激光器在右分布式布拉格光栅区5右侧的端面为出光端面，该端面是自然解理面，反射率为0.32，或者为提高出光功率而镀减反膜，反射率减小至0.1。最终，在右分布式布拉格光栅区5的右端面输出宽带、无时延的混沌激光。此外，也可以对调左右端面的反射率，使左分布式布拉格光栅区1的左端面输出宽带、无时延的混沌激光。

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 (8)

1.一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，包括设置在同一衬底上，并从左至右依次设置的左分布式布拉格光栅区（1）、左分布式反馈激光器区（2）、半导体光放大区（3）、右分布式反馈激光器区（4）、右分布式布拉格光栅区（5）；

激光器的芯片的电极层（11）上设置有隔离沟（12），所述隔离沟（12）将所述电极层（11）隔离成从左至右依次与左分布式布拉格光栅区（1）、左分布式反馈激光器区（2）、半导体光放大区（3）、右分布式反馈激光器区（4）、右分布式布拉格光栅区（5）对应的五个电极；

激光器的芯片的传输层（8）上与所述左分布式反馈激光器区（2）、半导体光放大区（3）、右分布式反馈激光器区（4）对应的位置设置有多量子阱结构（15）；

激光器的芯片的上限制层（9）上与所述左分布式布拉格光栅区（1）和右分布式布拉格光栅区（5）对应的位置刻蚀有布拉格光栅（13）；激光器的芯片的上限制层（9）上与所述左分布式反馈激光器区（2）和右分布式反馈激光器区（4）对应的位置刻蚀有1/4波长相移光栅（14）。

2.根据权利要求1所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底层（6）、下限制层（7）、传输层（8）、上限制层（9）、盖层（10）和电极层（11）。

3.根据权利要求2所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，所述盖层（10）为条状，其宽度小于所述上限制层（9）。

4.根据权利要求1所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，其外侧两个端面的反射率分别为90%和10%。

5.根据权利要求1所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，左分布式布拉格光栅区（1）、左分布式反馈激光器区（2）、半导体光放大区（3）、右分布式反馈激光器区（4）、右分布式布拉格光栅区（5）偏振电流分别控制；

所述左分布式反馈激光器区（2）与右分布式反馈激光器区（4）的中心波长频率差为10GHz~15 GHz，二者的输出功率偏差低于70％。

6.根据权利要求1所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，所述左分布式布拉格光栅区（1）和右分布式布拉格光栅区（5）对应的传输层均采用无源体材料制作。

7.根据权利要求1所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，所述布拉格光栅（13）的周期为242.2nm。

8.根据权利要求1所述的一种基于互注入联合分布式光栅反馈的光子集成混沌激光器，其特征在于，所述多量子阱结构（15）为InGaAsP材料制成。

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