CN1813381A - 具有低抖动的脉冲量子点激光器系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生时钟或者取样信号的电路，所述电路包括：包含量子点区域的半导体量子点激光元件，其中所述量子点区域的特征在于具有至少约10meV的半高宽的发射分布；和连接到所述量子点激光元件的驱动电路，用于操作所述量子点激光元件使其作为输出周期性、均一间隔的脉冲序列的模式锁定激光器，其中所述时钟或者取样信号从所述脉冲序列得到。

Description

具有低抖动的脉冲量子点激光器系统
技术领域
本发明涉及量子点激光器及其应用。
背景技术
量子点是三维半导体结构，其使电子和空穴三维受限，由此产生能量量子化。量子点如此之小，以致量子力学效应开始控制其行为。“点”几乎实际上看起来更像是金字塔形形状，所述的“点”具有约200埃数量级的基底尺寸和约80埃的高度尺寸。
一些年以前，科学界意识到通过利用有源层中的量子点可能制造出一种新型的半导体激光器。这些被称为量子点激光器的新型激光器为很多优点提供了希望。例如，与现有的半导体激光器相比，量子点激光器预期将表现出更低的温度依赖性、减小的阈值电流以及更高效的运行。
量子点激光器像其他半导体激光器一样工作。就像半导体激光器一样，量子点激光器的目标是将材料激发到高能量状态，然后将其引导回其低能量状态，导致表现为光子的净能量释放。
一种用于制造量子点激光器的技术包括通过称为Stranski-Krastanov工艺的自组装方法在分子束外延(MBE)生长过程中形成量子点层。初始的层被相对于衬底材料晶格匹配(或者相干应变)地生长。在沉积活性区之后，量子点层随后被沉积，并且形成量子点(例如InAs)。完成激光器结构的操作包括沉积另外的与衬底晶格匹配的材料层。除了量子点层之外，前面的层和后面的层几乎与现有半导体结构没有差别。但是，量子点薄层为新水平的半导体激光器性能提供了希望。
对于量子点激光器研究界内的部分人来说，能够建立高密度和高度均一的量子点已被认为对于实现量子点激光器的所预期的优点的是必要的。因此，研究界中的部分人已在努力提高量子点层的均一性。
发明内容
一般来说，在一个方面中，本发明的特征在于具有获得低抖动的低相位噪声的脉冲激光器或者激光器系统。该激光器包含由例如生长在GaAs、AlGaAs或者InGaAs上的InAs或者InGaAs制成的量子点区域(例如增益部分)。该区域内的量子点被生长来产生随机布置在整个区域上的连续分布的尺寸、形状、组成和/或环境。此量子点的随机和相对宽的分布实现了与腔谐振的自动匹配。其与还采取附加的措施和/或可选地在激光器内包含附加的部分来进行相位或者波长控制和放大相结合，而得到非常低的抖动。这种特别的量子点(QD)激光二极管具有能够产生减小的或者低的抖动而无需相位噪声减小环的优点。因此，在此情况下，该激光器或者激光器系统使其自身特别适用于产生着重要求低抖动的光学时钟或者取样信号。
包含具有宽分布尺寸的量子点的脉冲激光二极管使其可以产生高精度的光学时钟信号，即特征为短脉冲、高重复(时钟)率和低抖动(脉冲间时间间隔和振幅的变化)的光学时钟信号。
本文所述种类的QD激光器中的一些被生长在GaAs(砷化镓)衬底上，以在块硅的透明范围内的波长(即，大于1100nm)下工作。相反，被设计来在此波长范围内发射的常规(例如块和量子阱)激光二极管需要InGaAsP(砷磷化铟镓)或者与InP(磷化镓)衬底晶格匹配的其他四元合金。因为与基于InP生长和制造工艺相比，基于GaAs的生长和制造工艺被更大程度的发展，具有更高的产率，并且成本更低，所以其具有显著的优点。
此外，与基于InP的激光器相比，本文所述类型的QD激光二极管提供对于环境温度更小的依赖性，由此允许简化或者消除在激光二极管系统中常用的温度控制。其可以被制成对于光学反馈反射不那么敏感，并且由此允许简化或者消除在激光器二极管中常用的光学隔离。考虑到减小的温度敏感性、减小的反馈不稳定性、低抖动、硅透明波长范围和基于砷化镓技术的低成本大规模生产的重要性，尤其新颖的是将一个或者耦合的多个量子点激光器用于光学时钟或者数据取样。
针对光学时钟产生和取样的具体应用，描述了在本文中所述的构思，并且该构思还可以加入附加的措施或者部分，用于相位或者波长控制和放大以获得低抖动。作为激光器系统，其可以包括两个或者更多个耦合的激光器或者放大器。
一般来说，在一个方面，本发明的特征在于一种用于产生时钟或者取样信号的电路。所述电路包括：包含量子点区域的半导体量子点激光元件，其中所述量子点区域的特征在于具有至少约10meV的半高宽的发射分布；和连接到所述量子点激光元件的驱动电路，用于操作所述量子点激光元件使其作为输出周期性、均一间隔的脉冲序列的模式锁定激光器，其中所述时钟或者取样信号从所述脉冲序列得到。
实施例包括如下特征中的一个或者多个。所述电路还包括所述时钟或者取样信号被供应到其以用于提供时钟或者取样的其他电路。所述发射分布的半高宽大于约30meV或者50meV。所述量子点激光器包括增益部分，并且所述量子点区域是所述增益部分的一部分。所述量子点激光器包括增益部分和第二部分，所述第二部分或者是吸收体部分或者是光学波导部分，并且其中，所述量子点区域处在所述第二部分中。所述量子点激光器包括增益部分、吸收器部分和光学波导部分，并且其中，所述量子点区域处在所述增益部分、所述吸收体部分或者所述波导部分中的一个中。所述光学波导部分是光学波导调谐部分。所述量子点激光器包括用于选择或者拒绝某些波长的光栅。所述量子点激光器包括用于腔调谐的相位调谐部分。所述量子点激光器包括用于频移的相位调制器部分。所述驱动电路被配置来操作所述量子点激光器元件使其作为主动模式锁定激光器。或者，所述驱动电路被配置来操作所述量子点激光器元件使其作为被动模式锁定激光器。
一般来说，在另一个方面中，本发明的特征在于一种电路，包括：包含量子点区域的半导体量子点激光元件，其中所述量子点区域的特征在于具有至少约10meV的半高宽的发射分布；和连接到所述量子点激光元件的驱动电路，用于操作所述量子点激光元件使其作为输出周期性、均一间隔的脉冲序列的模式锁定激光器，其中所述脉冲序列的特征在于小于约1皮秒的抖动。
一般来说，在另一个方面，本发明的特征在于一种电路，包括：包含量子点区域的半导体量子点激光元件，其中所述量子点区域的特征在于具有至少约10meV的半高宽的发射分布；和连接到所述量子点激光元件的驱动电路，用于操作所述量子点激光元件使其作为增益开关激光器。
在下面的附图和描述中阐明了本发明的一个或者多个实施例的细节。根据描述和附图，并且根据权利要求，本发明的其他特征、目标和优点将变得清楚。
附图说明
图1是在被动模式锁定电路中的量子点激光二极管的视图。
图2是其中量子点激光二极管被用于产生用于另一个电路的时钟信号的系统的方框图。
图3是在主动模式锁定电路中的量子点激光二极管的视图。
图4A-4C示出了根据本发明的量子点激光二极管的其他构造。
图5A-5C示出了一个或者多个量子点激光二极管的其他布置。
图6是示出了峰值发射在约1380nm处的量子点区的代表性发射光谱。
具体实施方式
参考图1，一个示例性实施例是激光二极管10，其在其结构中包括至少一个区，该区具有宽的随机统计分布的多个不同尺寸、形状、组成和/或环境的量子点。如将在下面更详细地讨论的，此宽分布的多个量子点在激光二极管结构中产生相应的宽分布的发射波长，这回过头来非常便于与激光二极管内的腔模式的匹配。
激光二极管10包括形成腔内的增益元件或者增益部分12的光学放大介质，所述腔由位于器件的相对两侧的两个部分反射表面或者反射镜14a和14b形成。反射镜14a和14b可以通过解理器件的两端来形成与空气接触并且产生约30％的反射率的表面来形成。反射镜14a和14b提供了光学反馈，由于该光学反馈，经放大的光中的一部分被反射回来穿过增益部分。激光二极管10还包括吸收体部分16，吸收体部分16通常被加偏压以使其比增益部分更具吸收性。吸收体部分16是可饱和区，这意味着其吸收系数随光的吸收而下降。
除了制造量子点材料之外，增益部分12和吸收体部分16两者可以以与本领域普通技术人员现在用来制造量子点激光二极管的相似方式来制造。(参见例如在上面背景技术部分中所引用的参考文献。)例如，层的组成、层厚度以及层的数量可以与其他已用于制造量子点激光二极管的那些类似。一般来说，增益部分12通常包括增益介质24，该增益介质24被夹在具有相反的导电性类型(例如一个是N型，另一个是P型)的上覆盖层26和下覆盖层28之间。吸收体部分16的结构是类似的，其具有同样被夹在上覆盖层26和下覆盖层28之间的吸收体材料30。在增益部分12和吸收体部分16两者中，上覆盖层26和下覆盖层28之间区域形成波导通道，所述波导通道往往将光限制在通道内。
泵浦源18向增益部分12提供能量(例如注入电流)，以产生足够数量的受激物(例如，电子或者空穴)，用于产生光学增益。偏压源20向吸收体部分16施加适当的偏压(例如，电压)。当光学增益超过包括来自由于散射、吸收和发射造成的光衰减损耗在内的总的光学损耗时，达到了激光阈值，超过该激光阈值，激光器自持振荡。
一般来说，在处于工作期间的激光二极管内，将存在自洽电磁场分布和相关的频率，其匹配器件的增益光谱和腔反馈条件两者。这些将以所施加的具体条件来将激光器振荡模式限定为纵向模式和横向模式，纵向模式是沿主要光传播方向的各种场分布变化，并且横向模式是垂直于主要光传播方向的各种场分布变化。一般来说，激光器模式出现在等于光在腔中的往返时间的倒数的整数倍的频率处。基本上说，当腔内的所有模式对齐(line up)时，强度变得大到足以“烧”穿吸收体，并且从器件产生出激光束。
在此所描述的实施例中，仅仅增益部分将量子点包括在其增益介质内，然而量子点也可以位于其他部分中或者位于多个部分中。
量子点分布
如本领域普通技术人员公知的，已在上面的描述中提及的量子点是三维结构，用于将电子和空穴限制于适于能量量子化的尺度。与量子点相关的带隙或者跃迁能量依赖于若干因素，包括其尺寸、其形状、其组成和其形成环境。
量子点被制造来产生宽分布的紧密间隔的量子点发射波长。这通过生长量子点使其具有统计随机分布的特性(例如尺寸、形状、组成和/或环境的某种组合)来实现。这样的分布将导致发射能量被分布在一定的能量范围上。所得到的能量分布集中于中心波长，并且在该波长的两侧减小，并且构成该分布的单个发射线连续地分布在该范围中。但是，该分布是什么分布并非精确可知的，虽然其看起来像高斯分布，然而关于峰值波长不对称，如图6所示。(图6示出了对于峰值发射在约1380nm的量子点区的代表性发射光谱。)
所得的总体量子点的跃迁能量分布将具有一特征宽度，该特征宽度被测量为在来自量子点的光学发射强度减小到峰值发射的一半处的两个(高和低)能量点之间的宽度。理想的是产生比约10meV或者可能甚至是数十meV(例如，30或者50meV或更大)更宽的能量分布。理想的是，控制生长技术，以产生足够数量的不同尺寸的量子点，来产生所有所期望的频率，例如腔模式频率，同时提供足够数量的量子点，这些量子点在所期望的频率或者波长下发射，使得激光器振荡在低阈值并且高效率的情况下进行。
最常见地通过自组装Stranski-Krastanov(S-K)技术来生长量子点，其可以自然地产生宽分布的量子点尺寸和形状，而特征有效带隙能量半宽为30-50meV。S-K技术在科学文献中有详细描述，这些文献提供读者更多的信息。两篇作为关于S-K技术的公众可得信息的代表文章包括：
1.Shoji，H.；Nakata，Y.；Mukai，K.；Sugiyama，Y.；Sugawara，M.；Yokoyama，N.；Ishikawa，H.“Lasing characteristics of self-formed quantum-dotlasers with multistacked dot layer”，IEEE J Selected Topics in QuantumElectronics，Vol.3，pp.188-195(1997)；
2.Reithmaier，J.P.；Forchel，A，“Single-mode distributed feedback andmicrolasers based on quantum-dot gain material”，IEEE J Selected Topics inQuantum Electronics，Vol.8，pp.1035-44(2002).
在这些文献中还有许多关于自组装量子点的热力学、生长动力学和表征的详细的参考文献。这些参考文献中讨论了第一次成功的量子点S-K生长的三个例子是：
1.D.Leonard，M.Krishnamurthy，C M Reaves，S.P.DenBaars，P.M.Petroff，Appl.Phys.Lett.vol.63，p.3202(1993)；
2.J.M.Moison，F.Houzay，F.Barthe，L.Leprince，E.Andre，O.Vatel，ibid vol.64，p.196(1994)；和
3.A.Madhukar，Q.Xie，P.Chen，A.Konkar，ibid vol.64，p.2727(1994).
虽然在某些情形中，可能有利的是产生更窄尺寸或者形状分布，而带隙能量半宽为10meV或者更小，但是在本文所述的实施例中，对应于数十meV能量的带隙宽(通常为50meV)的更宽的尺寸分布是有利的。这是由于所包含的高色散激光腔，以及确切的腔谐振随着工作参数、老化而变化的趋势，以及因为生产材料和工艺的偏差导致的。量子点尺寸的宽分布确保量子点发射相对于腔的光谱匹配，同时增益或者吸收线具有作为发射波长和制造偏差的函数的低的折射率变化，这确保了对于大多数激光器或者耦合激光器系统的稳定和可再现的低阈值、低抖动的解决方案。
被动模式锁定
图1中的偏压和控制电路对激光二极管10加偏压，使其用作模式锁定激光器。如所公知的，模式锁定激光器是一种其中若干模式(通常是纵向模式)是相位锁定的，就是说被限制为彼此具有固定的相位关系的激光器。这样的锁定使得激光输出成为一系列由精确限定的时间间隔分隔开的快速脉冲。这些脉冲是在多次经过激光腔的过程中增强的。
模式锁定一般要求在模式之间耦合能量。这可以由至少两种不同的方法，即通过主动模式锁定或者通过被动模式锁定来完成。在主动模式锁定中，以与一个或者多个模式间隔相当的频率来调制系统增益或者损耗，导致每个模式产生与其他模式重叠的边模。在被动模式锁定中，这样的边带是例如在可饱和吸收体或者其他非线性光学介质中通过在不同模式之间产生非线性相互作用(诸如合频和差频)来产生的。使用主动和被动模式锁定的组合，即增益或者损耗调制和非线性模式耦合的组合的激光器被称为进行混合模式锁定。
图1所示的实施例以被动锁模方式运行。因而，固定的正向偏压通过泵浦源18被施加到增益部分12，并且反向偏压通过偏压源20被施加到吸收体部分16。当增益部分和吸收体部分都被加稳定值的偏压(增益部分具有正向电流，吸收体部分具有反向电压)时，激光器被被动锁模，并且发射具有对于激光器设计和工作参数的特定选择所要求的特性的脉冲。
因为量子点发射波长的宽的分布，特别是量子点宽度、形状或者跃迁能量的随机统计分布，所以增益或者损耗光谱峰与激光腔模式的匹配被大大地简化了。这意味着模式锁定(或者在后面所讨论的增益开关)被容易地实现，所期望的工作点相对于工作参数将是稳定的，并且具有高产率的大规模制造将是可能的。相反，使用量子点增益介质的窄尺寸分布的方案(诸如在Nambu的美国专利6031859中所述的)要求尺寸和腔色散之间的精心的匹配，并因此要求对于模式锁定进行精心的调谐，所有这些将导致在大规模制造过程中产率明显降低。
对于确定范围的参数值(例如，增益、吸收、调制、相位调谐)，激光器发射多个低抖动超窄脉冲的序列。一般来说，这些参数可以对应于由有效对称增益线型得到的线宽增强因子的较低值。可以通过调节激光驱动电流、量子点的组成和形状及阻隔材料、和腔模式从增益峰值波长的解谐之间的组合，实现低抖动性能。另一个可能有用的参数是腔色散，腔色散可以被调节以在模式锁定状态下产生吸收和增益的差别饱和，有效地导致吸收在比增益饱和的开始更低的强度和更早的时间饱和或者漂白。腔增益、损耗和色散的调节是脉冲激光器的激光器性能优化设计领域中的技术人员已知的技术。
模式锁定运行的建立可以通过首先向吸收体部分16施加反向偏压来实现。偏压的确切的初始值依赖于吸收体部分16与增益部分12相比的垂直厚度和长度；但是通常其为1-10V的范围。增益部分12然后被加正向偏压，直到超过激光器阈值，并且得到所期望的平均光学功率。此后，调节吸收体偏压，以在使用快速光学信号探测器观察时产生强度脉冲，所述快速光学信号探测器例如是耦合到快速取样示波器的光电二极管或者电子光谱分析器。此外，然后可以进行增益电流和吸收体偏压的精细调节，以获得所期望范围内的脉冲宽度。
抖动通过记录和积分跨度在诸如30kHz-10MHz的特定限定范围内的偏移频率下的残余相位噪声光谱来测量。为了将所测量到的抖动减小到所期望的值，例如～1ps或者更小，对于增益电流和吸收体偏压进行进一步调节可能是必要的。如果激光二极管包括其他部分，诸如相位调谐部分，则也可以使施加到该其他部分的电流或者电压变化，来调节脉冲宽度和/或定时抖动，以获得所期望的性能。
作为这样的激光器的典型性能的指示，通过被动模式锁定，可以获得约10ps宽的脉冲，同时在5-10GHz的重复频率下时间带宽积约为1，并且定时抖动低至0.3-0.4皮秒(ps)，并且可以常规地获得亚皮秒性能。这样的脉冲宽度可以利用强度自相关或者其他公知的手段来测量。定时抖动通过积分通常为30kHz-10MHz的偏移频率范围内的残余相位噪声光谱来测量。
时钟产生电路
图2以方框图的形式示出了使用诸如在本文中所述的QD激光器50来产生用于其他电路54的光学时钟信号52的系统。该系统包括时钟产生模块56，在时钟产生模块56内包括QD激光器50作为从其产生光学时钟信号52的光学信号56源。还存在适当的控制和驱动电路58，用于使得QD激光器50在所期望的模式下以及在例如低抖动等的期望信号特性下运行。在此实施例中，QD激光器50在主动模式锁定模式下运行，因而控制和驱动电路58既向吸收体部分提供适当的偏压信号又向增益部分提供经调制的驱动信号。为了将来自模式锁定QD二极管激光器的周期信号用作时钟信号，脉冲之间的时间间隔的波动应该小于百分之几。就是说，时钟重复率需要恒定在百分之几内，即，其需要具有低的抖动。
其他电路54的意思是表示任何需要光学时钟信号的系统。可以想到时钟产生电路56的特别有用的应用是与制造在光学成品衬底上的电路相联系，所述光学成品衬底诸如为在2002年10月25日递交的题为“OpticalReady Substrates”的美国专利申请No.10/280505和在2002年10月25日递交的题为“Optical Ready Wafers”的美国专利申请No.10/280492中所详细描述的，所述两篇美国专利申请通过引用被包括在本文中。一般来说，就像其他的常规半导体衬底一样，光学成品衬底是如下的衬底，其准备有通过使用诸如CMOS工艺的常规制造工艺制造在其上的微电子电路。但是，不像常规的衬底，光学成品衬底包括已经被制造在其中，通常被制造在处在将接纳微电子电路的层下方的层中的光学信号配置电路。
还可以想到，时钟产生电路56可以是其他电路54的整体的一部分，或者完全与其他电路54分离。例如，如果其他电路54被制造在单个芯片上，则时钟产生电路56也可以被制造在该同一芯片上。或者，时钟产生电路56可以被制造在单独的芯片上，并且光学时钟信号经由光纤或者其他合适的装置被传输到其他芯片。
量子点的本征物理性质在脉冲激光二极管中提供了减小定时和振幅抖动和脉冲啁啾(即由于调制导致的动态的光谱增宽和/或偏移)的显著优点。在具有宽的统计尺寸分布的量子点(如可以例如在使用Stranski-Krastanov方法进行生长时得到的)的色散腔中增强了此效应的充分应用。
低定时抖动意味着具有尖锐和确切特征频率的性能良好的模式，其可以有效地与腔谐振、外部调制或者光耦合匹配，或者通过耦合到另一脉冲序列或者其他用于产生或者稳定脉冲的装置而被同步。相反，具有高抖动的脉冲序列具有存在宽的并可能不稳定的峰的频谱，其不那么容易或者有效地被锁定、同步或者稳定，并且可以预料到更敏感地随着工作参数变化。作为粗略的估计，当抖动小于脉冲间周期(inter-pulse period)的百分之十时，这些优点应该是明显的。
确定振幅和相位噪声，以及由此确定脉冲振幅抖动和定时抖动的关键因素是在激光或者吸收波长下的载流子诱导的指数变化。在激光器中，此效应由线宽增强因子(也被称为反导参数或者α-参数)来表征。此参数在激光二极管的诸如线宽增宽、调制诱导啁啾、自聚焦和束颤动、对温度和光学反馈的敏感性之类的许多动态效应中起作用。
减小载流子诱导的指数变化在制造更窄和更稳定的光谱中具有显著优点，可以允许高速的直接调制而不用外部调制器，并且简化或者消除了在激光二极管应用中的常用的热沉、热控制和光学隔离系统。这些优点是现实和明显的，但是对于包括光学时钟、取样和信号发射或者处理的应用的所有这些中最显著的是减小的指数变化将得到更小的脉冲间相移，而脉冲间相移与脉冲抖动或者脉冲间时间间隔的变化直接相关。这导致上述的低抖动的优点。
较常规的体激光器和量子阱激光器，包含量子点的激光器能够产生减小的线宽增强因子。这是由于在饱和开始之前由量子点产生更对称的、类原子的增益线。因为线的不对称性是线宽增强因子的主要贡献者，所以其减小是量子点本征物理性质的一部分，其中量子点的本征物理性质还允许对于材料和腔参数的特定的特殊组合此参数为零或者甚至为负值。
包含量子点的吸收体也将因为类似的原因表现出减小的指数变化。虽然不存在对于吸收的α参数的等效物，但是相同的效应仍然适用。减小的指数变化导致激光腔中更低的相位噪声，因此导致减小的脉冲抖动。对于包含量子点的波导部分，光散射和自由载流子吸收将被减小，允许在增益区使用更低的载流子密度，并且因此允许降低阈值电流。在模式锁定或者开关脉冲方式中，这意味着更小的吸收或者调制深度和抖动。
主动模式锁定
实现主动模式锁定的电路被示于图3中。在此电路中，QD二极管激光器60具有三个部分，即，有源增益部分62，其一部分被用作增益调制器区(调制器部分)64，以及可选的可饱和吸收部分66。控制和驱动电路包括调制调制器部分64的调制电路66、向增益部分62提供能量(例如注入直流电流)的泵浦电路68以及对吸收部分66加反向偏压的偏压电路70。为了驱动腔的内在模式，调制电路66在为往返时间的倒数的某一整数倍的频率下并且以被调节得到所期望性能的调制深度来调制器件。
当然，部分依赖于QD激光二极管的设计，存在许多可以被使用的其他构造的主动模式锁定激光电路。例如，可以代之以调制吸收部分。
QD激光二极管结构的其他实施例
存在其他的可选光学元件，这些光学元件可以被包括在激光二极管结构中，并且更具体地，被包括在由激光二极管结构所限定的光路中。例如，可以添加可选的波导部分。常见的是使用光学波导来限制传播光的衍射。虽然这不是确实必须的，但是其有助于减小损耗并且提高效率。如果光学波导被用在增益部分和吸收体部分之间和/或附加于增益部分和吸收体部分，则通过使其成为光学波导调谐部分，可以将其用来改变这些位置之间的光场的相对相位。可选的光栅如分布式Bragg光栅或者其他色散元件如标准具或者波长选择性损耗元件也可以被提供来用于选择或者拒绝某些波长或者波长带。还可以包括可选的无源部分，以允许总的腔长度被伸长而不必伸长增益部分和/或吸收体部分或者调制器部分。腔可以被折叠以减小激光器芯片的长度，或者被从该芯片耦合到外腔，或芯片和外腔的某种组合。所有上述元件可以用来通过控制总的腔色散进行调谐、波长稳定或者控制脉冲宽度或者抖动。
其他的可选的附加部分可以被加入以进行相位或者光谱控制或者用于进一步放大光。例如，相位调谐部分或者相位调制器可以被加入，以用于腔调谐或者频移。可以添加放大器部分，该放大器部分由被泵浦到超透明性(above transparency)使其为脉冲序列提供光学增益的材料的一部分构成。电光、电吸收或者其他开关或者调制器部分可以被包括，以允许开关、调制或者门控脉冲。
此外，量子点不必只存在于增益部分中。脉冲激光二极管或者耦合激光二极管系统可以在增益部分、波导部分、调制器部分和/或吸收体部分中的任何一种或者多种中包括量子点。
与脉冲激光二极管的其他应用不同，特别是在低成本大规模生产中，本文所述的QD激光二极管被调谐来在宽范围的温度、驱动电流/电压或者其他工作参数下使抖动最小化，或者得到最一致的脉冲宽度和/或抖动，并且因此最有效地产生光学时钟或者取样脉冲。通过激光器的工作参数(驱动电流和吸收体电压(如果使用吸收体部分的话))、温度和诸如通过可选调谐部分的电流或者电压之类的可能附加的控制输入，来调谐激光器。通过经验测试，激光器被调谐以得到最小或者最稳定的抖动。
对于本文所述的QD激光二极管，可想到若干可能的脉冲方式，包括开关(例如增益和/或损耗的强调制)、模式锁定(例如，纵向模式之间的强迫耦合)、注入接种或者锁定(例如，从一个激光器注入到另一个激光器的光学信号)、混合(例如激光器之间的相互耦合)、同步泵浦(例如使用一个脉冲激光器来泵浦另一个激光器)、同步振荡(例如使用一个脉冲激光器来触发或者同步来自另一个激光器的脉冲)和光电振荡(例如，外部光学和/或电子控制环参与脉冲的产生)。
这些可以包括可以相互耦合的一个或者多个激光器和/或放大器和/或包括微腔在内的光腔和/或包括光栅部分或者光子晶体在内的波导。多个脉冲激光器可以被组合来创建由波长、时间、偏振化、空间位置或者方向或其他方式来区分的多路通道。
每一个增益部分发生激光作用，并且可以将光耦合到其中吸收是可饱和(即随着吸收更多光而下降)的吸收体部分直到达到某一饱和或者透明点，和/或将光耦合到其性质根据外部电信号或光信号变化的调制器部分。这些部分的功能可以被组合，例如，增益部分或者吸收体部分被调制以形成调制器部分，或者在透明区域工作作为波导部分。
图4A-4C示出了包含这些不同部分中的一些或者全部的其他可能的多部分激光器设计。图4A的器件包括由波导部分分隔开的增益部分和吸收体部分。图4B的器件包括由波导部分分隔开的增益部分和调制器部分(其可以吸收体部分或者是另一个增益部分)。图4C的器件包括由调制器部分或者吸收体部分分隔开的两个增益部分。这些示例不是意在穷尽而仅仅是举例说明可以被制造的各种组合。
图5A-5C示出了包括两个单向耦合的具有所谓的注入锁定(图5A)和同步泵浦构造(图5B)的激光器和两个双向(相互)耦合的可以包括公共外腔(图5C)的激光器的系统。这些构思可以容易地延伸到多于两个激光器。
增益开关
增益开关激光器是这样一种激光器，其中光学增益被迅速开通和关断，即其通常利用对应于激发仅仅一个短的光脉冲的或者一序列这样的脉冲的定时以大的调制深度被调制。激光器然后被关断并且可以通过光学增益调制的另一个突发被再次激发，所述光学增益调制的另一个突发在最小恢复时间过去之后被施加。
在开关方式中，脉冲周期是调制源的周期，这与其中脉冲周期是在激光腔中光一次往返时间延迟的整数倍或者几分之一的模式锁定方式相比不同。腔可以被折叠或者成一个角度，以减小激光器芯片的长度，或者腔可以被从芯片耦合到外腔，或者可以是芯片和外部腔的某种组合。
QD激光二极管也可以用于增益开关构造，以获得低抖动和其他改进性能，虽然在低抖动方面所获得的益处不那么可能和在模式锁定构造中可获得的一样大。
其他的实施例落入所附权利要求中。例如，也可以使用其他的衬底材料，并且该方案的应用可适用于任何可以生长的量子点所发射的波长。此外，可以使用不同于InGaAsP的量子点材料，例如生长在GaAs、AlGaAs或者InGaAs上的InAs或者InGaAs。并且，通过此量子点生长工艺得到的宽的增益光谱也可以用于或者作为选择用于得到更大的波长可调谐性。

Claims (21)

1.一种用于产生时钟或者取样信号的电路，所述电路包括：
包含量子点区域的半导体量子点激光元件，其中所述量子点区域的特征在于具有至少约10meV的半高宽的发射分布；和
连接到所述量子点激光元件的驱动电路，用于操作所述量子点激光元件使其作为输出周期性、均一间隔的脉冲序列的模式锁定激光器，其中所述时钟或者取样信号从所述脉冲序列得到。
2.如权利要求1所述的电路，还包括所述时钟或者取样信号被供应到其以用于提供时钟或者取样的其他电路。
3.如权利要求1所述的电路，其中，所述发射分布的半高宽大于约30meV。
4.如权利要求1所述的电路，其中，所述发射分布的半高宽大于约50meV。
5.如权利要求1所述的电路，其中，所述量子点激光器包括增益部分，并且所述量子点区域是所述增益部分的一部分。
6.如权利要求1所述的电路，其中，所述量子点激光器包括增益部分和第二部分，所述第二部分或者是吸收体部分或者是光学波导部分，并且其中所述量子点区域处在所述第二部分中。
7.如权利要求1所述的电路，其中，所述量子点激光器包括增益部分、吸收器部分和光学波导部分，并且其中所述量子点区域处在所述增益部分、所述吸收体部分或者所述波导部分中的一个中。
8.如权利要求7所述的电路，其中，所述光学波导部分是光学波导调谐部分。
9.如权利要求1所述的电路，其中，所述量子点激光器包括用于选择或者拒绝某些波长的光栅。
10.如权利要求1所述的电路，其中，所述量子点激光器包括用于腔调谐的相位调谐部分。
11.如权利要求1所述的电路，其中，所述量子点激光器包括用于频移的相位调制器部分。
12.如权利要求1所述的电路，其中，所述驱动电路被配置来操作所述量子点激光元件使其作为主动模式锁定激光器。
13.如权利要求1所述的电路，其中，所述驱动电路被配置来操作所述量子点激光元件使其作为被动模式锁定激光器。
14.一种电路，包括：
包含量子点区域的半导体量子点激光元件，其中所述量子点区域的特征在于具有至少约10meV的半高宽的发射分布；和
连接到所述量子点激光元件的驱动电路，用于操作所述量子点激光元件使其作为输出周期性、均一间隔的脉冲序列的模式锁定激光器，其中所述脉冲序列的特征在于小于约1皮秒的抖动。
15.如权利要求14所述的电路，其中，所述发射分布的半高宽大于约30meV。
16.如权利要求14所述的电路，其中，所述发射分布的半高宽大于约50meV。
17.如权利要求14所述的电路，其中，所述量子点激光器包括增益部分，并且所述量子点区域是所述增益部分的一部分。
18.如权利要求14所述的电路，其中，所述量子点激光器包括增益部分和第二部分，所述第二部分或者是吸收体部分或者是光学波导部分，并且其中所述量子点区域处在所述第二部分中。
19.如权利要求14所述电路，其中，所述驱动电路被配置来操作所述量子点激光元件使其作为主动模式锁定激光器。
20.如权利要求14所述电路，其中，所述驱动电路被配置来操作所述量子点激光元件使其作为被动模式锁定激光器。
21.一种电路，包括：
包含量子点区域的半导体量子点激光元件，其中所述量子点区域的特征在于具有至少约10meV的半高宽的发射分布；和
连接到所述量子点激光元件的驱动电路，用于操作所述量子点激光元件使其作为增益开关激光器。
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