[發(fā)明專利]基于量子點(diǎn)-量子阱混合結(jié)構(gòu)的鎖模半導(dǎo)體激光器

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210073343.1
• 申請(qǐng)日: 2012-03-19
• 公開（公告）號(hào): CN102593720A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所
• 主分類號(hào): H01S5/34
• 分類號(hào): H01S5/34;H01S5/20;H01S5/343
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，特別是指一種含有量子點(diǎn)-量子阱混合的皮秒/亞皮秒鎖模半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)

Internet的普及以及寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的飛速發(fā)展推動(dòng)了社會(huì)向信息化方向發(fā)展，人們對(duì)信息的需求也與日俱增，全社會(huì)整體的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量幾乎半年就增長一倍，建立超大容量、超長距離和超高速的通信網(wǎng)絡(luò)是勢(shì)在必行的發(fā)展方向。為了實(shí)現(xiàn)超大容量、超長距離和超高速的通信網(wǎng)絡(luò)，國際上存在兩種選擇方案：波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(OTDM)。WDM技術(shù)已經(jīng)十分成熟，而OTDM技術(shù)尚處于探索階段，還是屬于未來的技術(shù)。因?yàn)橐诠庥蛏蠈?duì)信號(hào)進(jìn)行處理恢復(fù)時(shí)鐘識(shí)別信頭以及選出路序，都需要全光邏輯和存儲(chǔ)器件，而這些器件尚不成熟，這就限制了OTDM的發(fā)展和應(yīng)用。OTDM技術(shù)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：傳輸容量大，傳輸速度快，能有效地利用光纖的頻譜帶寬，適合于不同距離和容量的光網(wǎng)絡(luò)中；能夠采用非線性光孤子傳輸來消除光纖通信傳輸系統(tǒng)中的色散影響；OTDM可以產(chǎn)生及復(fù)用高達(dá)幾百Gbit/s的數(shù)據(jù)流等等。因此，隨著信息社會(huì)對(duì)通信容量需求的日益增加和光邏輯器件的發(fā)展，OTDM不失為一種良好的提高速率和容量的主要可選方案。大容量光纖通信系統(tǒng)和超速光信息處理都離不開能夠產(chǎn)生高重復(fù)率的超短相干光脈沖的光源。半導(dǎo)體激光器由于快速的響應(yīng)、寬的增益帶寬以及優(yōu)異的電學(xué)可控性，所以已經(jīng)成為光纖通信的首選光源。

鎖模半導(dǎo)體激光器(MLLD)具有重復(fù)頻率高，脈寬窄，波長可精確控制，轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)電源簡單，體積小，重量輕，功耗低，價(jià)格低廉，易集成等優(yōu)點(diǎn)。其中，采用多量子阱技術(shù)和鎖模技術(shù)的半導(dǎo)體激光器以其極低閾值電流、較高的轉(zhuǎn)換效率、較高的輸出功率、易集成、使用壽命長等優(yōu)勢(shì)成為關(guān)注的焦點(diǎn)，在眾多超高速超短脈沖光源中脫穎而出。量子點(diǎn)鎖模半導(dǎo)體激光器近幾年成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。其量子點(diǎn)作為可飽和吸收介質(zhì)(QD?Absorber)，有著超快的載流子動(dòng)力學(xué)(例如文章E.U.Rafailov，“Mode-locked?quantum-dot?lasers”Nature?Photonics?Vol.7，July?2007，395.)。量子點(diǎn)的三維限域效應(yīng)和量子點(diǎn)的光譜增寬是Inhomogeneous增寬決定了量子點(diǎn)內(nèi)部的載流子動(dòng)力過程是帶內(nèi)Intraband過程。因此，與量子阱鎖模激光器相比，量子點(diǎn)激光器表現(xiàn)出了穩(wěn)定的鎖模，而且量子點(diǎn)的超寬增益和吸收譜線也對(duì)窄脈沖的產(chǎn)生有明顯的優(yōu)勢(shì)，使得鎖模量子點(diǎn)激光器的脈沖可短于400飛秒。但從增益的角度來說，量子點(diǎn)激光器輸出功率比量子阱相對(duì)要小。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供一種含量子點(diǎn)與量子阱混合結(jié)構(gòu)的高功率的皮秒/亞皮秒鎖模半導(dǎo)體激光器。這一結(jié)構(gòu)把普通的量子點(diǎn)鎖模半導(dǎo)體激光器的量子點(diǎn)增益介質(zhì)換成量子阱增益介質(zhì)(QW?Gain?Material)來實(shí)現(xiàn)高功率的輸出。其研究結(jié)構(gòu)如下：

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的高功率量子點(diǎn)-量子阱集成或混合結(jié)構(gòu)皮秒/亞皮秒鎖模半導(dǎo)體激光器，從下往上順次由下電極、襯底、下分離限制層、波導(dǎo)層、上分離限制層、蓋層、SiO₂電流隔離層、上電極構(gòu)成，其特征在于，波導(dǎo)層含有量子點(diǎn)-量子阱混合區(qū)。

該量子點(diǎn)-量子阱混合結(jié)構(gòu)之一見附圖1。具體如下：

芯片呈兩區(qū)式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由飽和吸收區(qū)101(SA)和增益區(qū)102(GS)兩部分組成；

增益區(qū)102的有源層為量子阱104結(jié)構(gòu)，該量子阱結(jié)構(gòu)可以是單量子阱，也可以是多量子阱；

飽和吸收區(qū)101的有源層為量子點(diǎn)103結(jié)構(gòu)，該量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以是單層多量子點(diǎn)，也可以是多層多量子點(diǎn)。飽和吸收區(qū)101的特性就是對(duì)強(qiáng)光損耗小，弱光損耗大，這樣能窄化光脈沖，該量子點(diǎn)103結(jié)構(gòu)可以提高飽和吸收區(qū)101的快速吸收恢復(fù)效應(yīng)，以便進(jìn)一步壓縮脈沖寬度；

飽和吸收區(qū)101的電流注入?yún)^(qū)105和增益區(qū)102的電流注入?yún)^(qū)106相互隔離；

飽和吸收區(qū)101和增益區(qū)102之間存在幾百到幾千歐姆的阻值；

在增益區(qū)102注入正向電流，激光二極管表現(xiàn)其增益特性；在可飽和吸收區(qū)101的量子點(diǎn)103上加反向偏壓會(huì)呈現(xiàn)可飽和吸收特性，形成被動(dòng)鎖模機(jī)制。飽和吸收區(qū)鎖模機(jī)制的形成具體有以下三個(gè)階段：(a)線性放大階段，飽和吸收體對(duì)強(qiáng)光損耗小，弱光損耗大，有選擇的對(duì)強(qiáng)脈沖進(jìn)行放大，使光脈沖變窄；(b)非線性吸收階段，強(qiáng)脈沖飽和，飽和吸收體進(jìn)入非線性吸收過程，有選擇的對(duì)符合條件的脈沖進(jìn)行放大，進(jìn)一步窄化脈沖；(c)非線性放大階段，飽和吸收體飽和，增益介質(zhì)也飽和，這樣脈沖前后沿經(jīng)較大損耗逐漸削弱，導(dǎo)致脈寬進(jìn)一步變窄。