CN1311550A - 混合半导体－电介质线性调频饱和吸收平面镜 - Google Patents

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Abstract

利用由多层半导体叠层11和多层介电叠层12组成的混合结构10,在宽的带宽上提供了高反射率、饱和吸收和规定的群延迟色散(GDD)。半导体层和介电层二者的厚度变化,且层厚度调制被用来提供所希望的色散和带宽。此外,相似于控制带宽和色散,半导体层的折射率沿叠层被改变。反射器被用作Q开关,以便对激光器进行锁模或Q转换。

Description

混合半导体-电介质线性调频饱和吸收平面镜
本发明涉及到饱和吸收元件，更确切地说是涉及到既采用半导体又采用介电层的这种元件。
超快固体激光器的锁模元件基本上依赖于半导体饱和吸收器。超快激光器产生宽度为皮秒到亚10飞秒范围的脉冲。这种脉冲可以应用于高速数据处理、通信、光谱、以及更新近一些的非线性频率转换之类的领域。
借助于将饱和吸收器置于激光共振腔内部或耦合于激光共振腔的外部光学共振腔中，能够获得无源波模锁定。饱和吸收器呈现吸收对入射辐射强度的依赖性；它们对于强度高于饱和强度的入射辐射是透明的。作为这一性质的结果，饱和吸收器吸收弱的入射辐射，因而支持(在激光器中)对应锁模区域的高强度模式。
布拉格半导体饱和吸收器平面镜的带宽约为60nm@850nm(见论文”Mode-Locking Ultrafast Solid-State Lasers with Saturable BraggReflectors”,IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,Vol.2 #3,September 1996)，远低于产生亚10飞秒脉冲所需的最小值200nm@800nm。借助于由背面涂敷有银层的半导体布拉格反射器组成的混合结构，能够获得这一所需的带宽(见论文“SemiconductorSaturable Absorber Mirrors(SESAMs)for Femtosecond toNanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers”,IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics,Vol.2#3,September 1996)。在诸如高质量共振腔激光器或使用低晶粒媒质的固体激光器之类的许多应用中，无法容忍银层引入的损耗。由于在涂敷银层之前必须对GaAs衬底进行腐蚀，故制造这种混合结构涉及到明显的技术麻烦。利用电介质平面镜的经验，人们可以期望借助于对层的厚度进行线性调频即调制，能够容易地提高半导体多层的带宽(见论文”Chirped MultilayerCoatings for Broadband Dispersion Control in Femtosecond Lasers”，Optics Letters,Vol.19#4,February 1994)。然而，一方面由于折射率之间的比率小，另一方面由于空气界面处的反射率(大约30％)能够在不存在有效的AR涂层的情况下导致Gires-Tournois干涉效应，故线性调频平面镜技术不是用半导体材料(例如AlAs/AlGaAs)来直接实现。已经演示了带宽为10THz的由120个半导体层和6层电介质抗反射涂层组成的线性调频平面镜(见论文“Double-ChirpedSemiconductor Mirror for Dispersion Compensation in FemtosecondLasers”,paper CtuR5,Conference on Lasers and Electrooptics,May23-28,Baltimore,MD,USA)。但这是比较窄的带宽，而对用于锁模激光器的较宽带宽的饱和布拉格反射器有需求。本发明用来满足这一需求。
本发明提供了一种适合于用来对激光器进行锁模的宽带饱和布拉格反射器，以便提供能够被用于宽带波长的亚飞秒或更长的脉冲。
根据本发明的饱和布拉格反射器，最好包含含有三个部分的单片集成多层叠层。第一部分用作适合于支持其它部分的衬底。第二部分包含由诸如AlxGa1-xAs的折射率比较高的材料和诸如AlAs的折射率比较低的材料交替组成的多个半导体层。这些层被外延生长在衬底上，且沿衬底改变厚度和X的数值。通常，随着离叠层顶部的距离，层的厚度增大，而X数值减小。改变克分子浓度X的主要目的是增强光谱带宽；除了有助于带宽增强，改变层的厚度还提供了控制器件引入的群延迟色散(GDD)的方法。特别是，为了引入负的GDD，相继各个层的厚度从衬底处的所需波段上边沿的大约四分之一波长的厚度，被减小到所需波段下边沿的大约四分之一波长的厚度。最通常的是，例如，为了尽可能最小化不期望的共振，或为了优化色散特性，这些改变最好不是单调的。
根据本发明的能够增大有效带宽并得到平滑的GDD特性的个别零件是对叠层增加第三部分，用来部分地反射光谱的较短波长部分，并使第二部分的阻抗匹配于长波长环境的阻抗。在一个实施例中，平面镜由GaAs衬底上的AlxGa1-xAs和AlAs交替组成的82个半导体层以及由诸如二氧化硅的折射率比较低的材料和诸如氮化硅的折射率比较高的材料交替组成的等时线介电层组成。
图1示出了根据本发明的混合半导体-电介质线性调频饱和吸收器平面镜的简化示意图。
图2示出了介电平滑边沿滤波器(在GaAs衬底上)的反射率和最终结构的反射率。
图3示出了图1的混合平面镜的一个反弹引入的群延迟色散。
图4示出了采用图1的平面镜的激光器系统。
现参照附图，图1示出了适合于用作容纳用来提供锁模激光的激光媒质的光学共振腔中的端部平面镜的饱和吸收布拉格反射器10的基本元件。
它包含由三个基本部分组成的单片集成多层叠层。第一部分12是衬底，最好是单晶砷化镓。第二部分14包含由通常已经用某种形式的分子束外延方法外延生长在衬底12上的AlxGa1-xAs层14A和AlAs层14B交替组成的多层叠层。第三部分16是最好由氮化硅和二氧化硅交替组成的用作平滑边沿滤波器的介电层多层叠层。
限制半导体叠层(部分14)带宽的内在因素之一，是AlxGa1-xAs的折射率与AlAs折射率之间的比率的中间值。降低化合物AlxGa1-xAs的克分子份数，可以提高这一比率的数值，但也使材料的吸收边偏移到红外。在用来引入负的GDD的线性调频平面镜中，波包的渗透深度随波长减小而减小：另一方面，Ga份数大的AlxGa1-xAs在光谱的短波长边沿处呈现更强的吸收。因此，在引入负GDD的平面镜中，AlxGa1-xAs层的Ga浓度能够从顶层到衬底增大而不会减弱叠层的反射。
此外，为了提供饱和吸收，在高强度光学信号区域中的半导体部分的顶层内，通常在低折射率层中，包括有一个或多个量子阱17。或者，如1999年7月21日提出的共同未决申请09/352112(Cunning-hamKnox 41-39)所述，将量子阱置于八分之一波长厚度的成对低折射率层之间的四分之一厚度的高折射率层中是有利的。饱和强度由量子阱的位置和第二部分提供的介电边沿滤波器的透射率二者决定，量子阱在叠层中位置越高，饱和强度越低。介电边沿滤波器的光谱反射率对饱和吸收的光谱分布提供了一些控制。
在图2中，曲线20示出了作为GaAs衬底的介电平滑边沿滤波器的反射率，而曲线21示出了上述示例性叠层结构的整个结构的反射率。
在图3中，示出了示例性叠层结构的一个反弹引入的群延迟色散24。
在图4中，示出了Q开关激光器系统30的基本元件，它包括作为光学共振腔的一个端部平面镜的图1所示种类的饱和布拉格反射器10，在光学共振腔中放置激光媒质31，通常可能是本技术领域众所周知类型的光学激励的固体棒。部分透射的平面镜32用作光学共振腔的另一个端部，有用的激光脉冲从此端部输出。通常可以包括在系统中以提供聚焦和激光器运行波长控制的各种其它的元件被略去了。
在用于长波长激光器中的饱和反射器中，在半导体层组成的叠层顶部处包括奇数数目的具有足够位错的半波长应力释放层，以便反射性地用作非辐射复合源，并以这种方式安置量子阱，可能是有利的。在1997年12月23日发布的题为”Saturable Bragg Reflector Structureand Process for Fabricating the Same”的美国专利5701327中，更充分地描述了这一特点。
在与本申请同时提出并具有相同的受让人的共同未决申请中，涉及到四元组合物的各层用数字合金调制方法制作。
在与本申请同时提出并包括共同受让人的申请中，描述了借助于淀积作为二元化合物平面的各个层，用来制作具有变化的X的四元组合物的各个层的数字合金调制工艺。
应该理解的是，所述的饱和布拉格反射器的具体实施例仅仅是本发明一般原理的说明。各种其它的半导体或电介质可以代替所述的具体半导体或电介质。

Claims (24)

1．一种用来对激光进行锁模的光学器件，它包含：
含有至少第一和第二部分的单片集成叠层，
第一部分包含用于第二部分的衬底，
第二部分包含外延生长在衬底上的多个半导体层，各个层由折射率比较低的半导体材料层和折射率比较高的半导体材料层交替地组成，折射率比较低高的层的折射率随离衬底的距离的增加而改变，且层的厚度随离衬底的距离而增大，以便获得器件的规定反射特性或同时获得所希望的反射特性和所希望的群延迟色散特性。
2．权利要求1的光学器件，其中的单片集成叠层包括第三部分，
此第三部分包含多个用来形成平滑边沿滤波器的介电层，各个层的厚度随离衬底的距离而变化，以便获得器件的规定反射特性或同时获得所希望的反射特性和所希望的群延迟色散特性。
3．权利要求1的光学器件，其中各个层的厚度通常平均说来随离衬底的距离的增大而减小。
4．权利要求1的光学器件，其中折射率比较低的层的折射率通常随离衬底的距离而减小。
5．权利要求3的光学器件，其中折射率比较低的层的折射率通常随离衬底的距离而减小。
6．权利要求3的光学器件，其中的叠层包括多个其厚度随沿叠层的距离的增大而增大的介电层，用来形成平滑边沿滤波器，以便使第二部分的阻抗与平面镜光谱的高反射波段的长波长部分的环境中的阻抗相匹配，并部分地反射所述光谱的短波长光谱区。
7．权利要求1的光学器件，其中折射率比较高的半导体层是AlxGa1-xAs，而折射率比较低的半导体层是AlAs。
8．权利要求7的光学器件，其中X的数值随离衬底的距离的增大而减小。
9．权利要求8的光学器件，其中的单片集成叠层包括含有介电平滑边沿滤波器的第三部分。
10．权利要求9的光学器件，其中的介电平滑边沿滤波器包含多个由高折射率和低折射率交替组成的介电层。
11．权利要求1的光学器件，其中在多个半导体层中已经插入了至少一个量子阱，以便提供饱和吸收。
12．权利要求2的光学器件，其中在多个半导体层中已经插入了至少一个量子阱，以便提供饱和吸收。
13．权利要求5的光学器件，其中在多个半导体层中已经插入了至少一个量子阱，以便提供饱和吸收。
14．权利要求6的光学器件，其中在半导体层中已经插入了至少一个量子阱，以便提供饱和吸收。
15．权利要求10的光学器件，其中在半导体层中已经插入了至少一个量子阱，以便提供饱和吸收。
16．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求1的光学器件。
17．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求5的光学器件。
18．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求6的光学器件。
19．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求7的光学器件。
20．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求9的光学器件。
21．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求11的光学器件。
22．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求12的光学器件。
23．一种锁模激光器系统，它包含：
含有一对相向的平面镜的光学共振腔，以及
位于光学共振腔中的激光媒质，其特征是平面镜中的一个是根据权利要求13的光学器件。
24．根据权利要求10的锁模激光器，其中的介电层是氧化硅和氮化硅。
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