專利名稱：一種光注入型混沌光子集成器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光注入型光子集成器件，實(shí)現(xiàn)單片光子器件產(chǎn)生寬帶混沌激光，可應(yīng)用于保密光通信、光網(wǎng)絡(luò)及光子信號(hào)處理等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，混沌激光的產(chǎn)生與應(yīng)用受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。半導(dǎo)體激光器具有體積小、價(jià)格低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此，基于半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光尤為受到關(guān)注和研究。目前，混沌激光已經(jīng)在保密通信、汽車防撞雷達(dá)、光時(shí)域反射儀、高速真隨機(jī)碼發(fā)生器、傳感和光學(xué)相干層析等領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。毫無(wú)疑問(wèn)，混沌激光光源是混沌激光應(yīng)用中的關(guān)鍵部件。目前混沌激光光源主要還是集中于由分離的光、電器件構(gòu)成。這存在著體積大、成本高、布局復(fù)雜、性能的穩(wěn)定和可靠性差、功耗大、速率受限等缺點(diǎn)。隨著新型微納光子器件研究的進(jìn)展和半導(dǎo)體制備工藝的不斷提高，光子器件集成技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到現(xiàn)行光通信系統(tǒng)中，并成為基于全光信號(hào)處理的高速光通信未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，基于光子集成技術(shù)的混沌光子集成光源對(duì)混沌激光的應(yīng)用具有重要的實(shí)用價(jià)值。在先技術(shù)[I] (M. Yousefi, et al. New role for nonlinear dynamics andchaos in integrated semiconductor laser technology, Phys. Rev. Lett. 2007.)公開(kāi)了一種集成的脈沖碰撞鎖模半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生混沌激光的裝置，然而該裝置產(chǎn)生的混沌激光的帶寬小于I GHz，無(wú)法滿足寬帶的需要。在先技術(shù)[2] (A. Argyris, et al.Photonic integrated device for chaos applications in communications, Phys.Rev. Lett. 2008.)公開(kāi)了一種混沌光子集成器件，該器件集成了一個(gè)分布反饋半導(dǎo)體激光器(distributed feedback,縮寫為 DFB)、半導(dǎo)體光放大器(semiconductor opticalamplifier,縮寫為半導(dǎo)體光放大器S0A)、相位區(qū)和無(wú)源光波導(dǎo)。因此，該器件實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單反饋型混沌光子集成器件。從公布的結(jié)果可以看出，該器件產(chǎn)生混沌激光的帶寬約為9 GHz (小于 10 GHz)。在先技術(shù)[3] (V. Z. Tronciu, et al. Chaos generation andsynchronization using an integrated source with an air gap, IEEE J. QuantumElectron. 2010.)公開(kāi)了一種集成的混沌光源，包括一個(gè)分布反饋半導(dǎo)體激光器、兩個(gè)無(wú)源光波導(dǎo)區(qū)、兩個(gè)相位區(qū)和一個(gè)窄帶氣隙。區(qū)別于在先技術(shù)[2]中單反饋結(jié)構(gòu)的是，該集成器件是一個(gè)雙反饋型器件。結(jié)果顯示，該器件產(chǎn)生的混沌激光的帶寬小于7 GHz0在先技術(shù)[4] (S. Sunada, et al. Chaos laser chips with delayed optical feedback using apassive ring waveguide, Opt. Express 2011.)公開(kāi)了一種混沛光子集成器件，器件包括一個(gè)分布反饋半導(dǎo)體激光器、兩個(gè)半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器S0A、一個(gè)光電探測(cè)器(Photodiode, PD)和一段無(wú)源環(huán)形光波導(dǎo)。該無(wú)源環(huán)形光波導(dǎo)構(gòu)成環(huán)形反饋腔，從而產(chǎn)生混沌激光。由于該器件仍然是光反饋方式產(chǎn)生的混沌激光，所以報(bào)道的結(jié)果顯示產(chǎn)生的混沌激光的帶寬仍然小于10 GHz0在先技術(shù)[1-4]由于自身結(jié)構(gòu)和光反饋的原因，產(chǎn)生的混沌激光受限于單個(gè)分布反饋半導(dǎo)體激光器的弛豫振蕩頻率，帶寬均無(wú)法超過(guò)10 GHz0

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光注入型混沌光子集成器件及其設(shè)計(jì)方法。從而為寬帶混沌激光的應(yīng)用提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定的寬帶混沌激光光源。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種光注入型混沌光子集成器件，在單片上集成一個(gè)主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB、一個(gè)半導(dǎo)體光放大器S0A、一段無(wú)源光波導(dǎo)和一個(gè)從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB，具體方案如下在N型襯底上依次外延生長(zhǎng)N-InGaAsP下包層、無(wú)摻雜多量子阱(MQW)有源區(qū)、無(wú)摻雜InGaAsP、布拉格光柵區(qū)、P-InP包層、P-InP上包層、P-InGaAsP接觸層。在N型襯底和P-InGaAsP接觸層上分別蒸Au/Ge/Ni和Au/Zn/Au后，形成N型電極和P型電極。選擇性能好的芯條鍍HR膜。
所述主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB的長(zhǎng)度為30(Γ400 μ m，氣隙的長(zhǎng)度為5 μ m,半導(dǎo)體光放大器SOA的長(zhǎng)度為200 300 μ m,無(wú)源光波導(dǎo)的長(zhǎng)度為5 mnTlO mm,從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB的長(zhǎng)度為300 400 μ m。主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB產(chǎn)生出連續(xù)光，經(jīng)半導(dǎo)體光放大器SOA 放大后進(jìn)入無(wú)源光波導(dǎo)傳輸，然后注入到從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB。通過(guò)調(diào)節(jié)主從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB的注入電流實(shí)現(xiàn)它們之間中心波長(zhǎng)的改變，同時(shí)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體光放大器SOA的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)注入強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而主從分布反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生拍現(xiàn)象。此時(shí)從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB可以產(chǎn)生出寬帶的混沌激光，帶寬為1(T25 GHz0本發(fā)明提出的光注入型混沌光子集成器件具有以下優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明采用單片集成了兩個(gè)分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB、一個(gè)半導(dǎo)體光放大器和一段無(wú)源光波導(dǎo)，相比于分立器件，本發(fā)明體積小、制作成本低、布局簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠性好。2.本發(fā)明采用光注入方式產(chǎn)生混沌激光，相對(duì)于光反饋方式，能將帶寬增大2 5倍。


圖I光注入型混沌光子集成器件示意圖。圖2半導(dǎo)體光放大器集成主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB側(cè)向橫截面示意圖。圖3從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB側(cè)向橫截面不意圖。圖4光注入型混沌光子集成器件的封裝示意圖。圖中1主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB ；2半導(dǎo)體光放大器SOA ；3無(wú)源光波導(dǎo)；4從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB ；5 P-InGaAsP接觸層；6正電極；7氣隙；8 P-InP上包層；9高反膜(HR膜)；10布拉格光柵區(qū)；11無(wú)摻雜InGaAsP ；12無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱(MQW)有源區(qū)；13 N-InGaAsP 下包層；14 N-InP 襯底；15 P-InP 包層；16 負(fù)電極；17 P-InP外包層；18增透膜(AR膜)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明光注入型混沌光子集成器件，包括主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB I、半導(dǎo)體光放大器SOA 2、無(wú)源光波導(dǎo)3和從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB 4。主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB I產(chǎn)生連續(xù)波狀態(tài)(continuous wave, CW)的激光，經(jīng)半導(dǎo)體光放大器SOA 2放大后進(jìn)入無(wú)源光波導(dǎo)3，然后注入到從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB 4。通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體光放大器SOA 2，實(shí)現(xiàn)注入強(qiáng)度的操控；通過(guò)調(diào)節(jié)主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB I和從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB 4之間的中心波長(zhǎng)失諧，使從分布反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生出帶寬的混沌激光。下面以附圖2和附圖3為例，說(shuō)明該光注入型混沌光子集成器件的設(shè)計(jì)過(guò)程。如附圖2所示，半導(dǎo)體光放大器SOA 2集成主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB I的材料生長(zhǎng)過(guò)程如下。利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)汽相沉積法(metal-organic chemical vapourdeposition,縮寫為M0CVD)選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)技術(shù)，在N型襯底材料上依次外延生長(zhǎng)N型InGaAsP下包層13厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱MQW有源區(qū)12厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP光柵材料層11厚度為70 nm。第一次采用普通曝光方法使非光柵分段區(qū) 曝光，第二次米用電子束曝光的方法再次曝光，制作光柵結(jié)構(gòu)10長(zhǎng)度為300 400 μ m。再利用MOCVD 二次外延生長(zhǎng)P型InP包層15厚度為200 nm、P型InP上包層8厚度為1700nm和P型InGaAsP接觸層5厚度為200 nm。P面蒸Au/Zn/Au，作為正電極6。N面減薄后，蒸Au/Ge/Ni，作為負(fù)電極16。制備聚酰亞胺間隔層，在聚酰亞胺膜上通過(guò)相同掩模板蒸鍍電極后，直接以上層Al電極為掩模板，刻蝕掉電極以外區(qū)域的聚合物薄膜，以保證間隔層只有空氣存在，即氣隙7長(zhǎng)度為5μ m?？涛g過(guò)程中以O(shè)2為主要反應(yīng)氣體，He為基板冷卻氣體。解理，中測(cè)后，選擇性能好的芯條鍍HR膜9。如附圖3所示，從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB 4的材料生長(zhǎng)過(guò)程如下。利用MOCVD選擇區(qū)外延生長(zhǎng)技術(shù)，在N型襯底材料上依次外延生長(zhǎng)N型InGaAsP下包層13厚度為200nm、無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱MQW有源區(qū)12厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP光柵材料層11厚度為70 nm。第一次采用普通曝光方法使非光柵分段區(qū)曝光，第二次采用電子束曝光的方法再次曝光，制作光柵結(jié)構(gòu)10長(zhǎng)度為50(Γ700 μ m。再利用MOCVD 二次外延生長(zhǎng)P型InP包層15厚度為200 nm、P型InP外包層17厚度為1700 nm和P型InGaAsP接觸層5厚度為200 nm。P面蒸Au/Zn/Au，作為正電極6。N面減薄后，蒸Au/Ge/Ni，作為負(fù)電極16。解理，中測(cè)后，選擇性能好的芯條鍍AR膜18。將主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB I、半導(dǎo)體光放大器SOA 2、無(wú)源光波導(dǎo)3和從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB 4集成在同一熱沉襯底上，并利用蝶型封裝技術(shù)封裝在氣密封閉的、帶尾纖的42腳蝶型封裝管殼內(nèi)，得到混沌光子集成芯片。封裝后結(jié)構(gòu)圖和各引腳的定義如附圖4所示，其中各引腳的定義見(jiàn)表I。表I各引腳的定義
權(quán)利要求
1.一種光注入型混沌光子集成器件，其特征在于，將主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB(I)、半導(dǎo)體光放大器SOA (2)、無(wú)源光波導(dǎo)(3)和從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (4)，按順序依次在同一芯片上集成；主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)產(chǎn)生連續(xù)波狀態(tài)的激光，經(jīng)半導(dǎo)體光放大器SOA (2)放大后進(jìn)入無(wú)源光波導(dǎo)(3)，然后注入到從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (4);通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體光放大器SOA (2)及主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)和從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (4)之間的中心波長(zhǎng)失諧，使從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (4)激光器產(chǎn)生出帶寬的混沌激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種光注入型混沌光子集成器件，其特征在于所述的主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)的長(zhǎng)度為30(Γ400 μ m，半導(dǎo)體光放大器SOA (2)的長(zhǎng)度為200^300 μ m,無(wú)源光波導(dǎo)(3)的長(zhǎng)度為5 mnTlO mm,從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (4)的長(zhǎng)度為300 400 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種光注入型混沌光子集成器件，其特征在于，所述主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)和半導(dǎo)體光放大器SOA (2)之間存在氣隙(7)，長(zhǎng)度為5μ m0
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種光注入型混沌光子集成器件的制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體光放大器SOA (2)集成主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)的材料特征為N型InGaAsP下包層(13)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱MQW有源區(qū)(12)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP光柵材料層(11)的厚度為70 nm ;光柵結(jié)構(gòu)(10)的長(zhǎng)度為300^400 μ m ;P型InP包層(15)的厚度為200 nm和P型InP上包層⑶的厚度為1700nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種光注入型混沌光子集成器件的制備方法，其特征在于，所述從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)激光器的材料參數(shù)特征為N型InGaAsP下包層(13)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱MQW有源區(qū)(12)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP光柵材料層(11)的厚度為70 nm ;光柵結(jié)構(gòu)(10)的長(zhǎng)度為300 400 μ m ;P型InP外包層(17)的厚度為200 nm和P型InP包層(15)的厚度為1700 nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光注入型混沌光子集成器件的制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體光放大器SOA (2)集成主分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)的材料特征為N型InGaAsP下包層(13)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱MQW有源區(qū)(12)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP光柵材料層(11)的厚度為70 nm ;光柵結(jié)構(gòu)(10)的長(zhǎng)度為300 400μ m ;P型InP包層(15)的厚度為200 nm和P型InP上包層⑶的厚度為1700 nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光注入型混沌光子集成器件的制備方法，其特征在于，所述從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)激光器的材料參數(shù)特征為N型InGaAsP下包層(13)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱MQW有源區(qū)(12)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP光柵材料層(11)的厚度為70 nm ;光柵結(jié)構(gòu)(10)的長(zhǎng)度為300 400 μ m ;P型InP外包層(17)的厚度為200 nm和P型InP包層(15)的厚度為1700 nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光注入型混沌光子集成器件的制備方法，其特征在于，所述從分布反饋半導(dǎo)體激光器DFB (I)激光器的材料參數(shù)特征為N型InGaAsP下包層(13)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP多量子阱MQW有源區(qū)(12)的厚度為200 nm、無(wú)摻雜InGaAsP光柵材料層(11)的厚度為70 nm ;光柵結(jié)構(gòu)(10)的長(zhǎng)度為300 400 μ m ;P型InP外包層(17)的厚度為200 nm和P型InP包層(15)的厚度為1700 nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光注入型混沌光子集成器件及其制備方法，其特點(diǎn)是主分布反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生連續(xù)波狀態(tài)的激光，經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體光放大器放大后進(jìn)入無(wú)源光波導(dǎo)，然后注入到從分布反饋半導(dǎo)體激光器。通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體光放大器及主分布反饋半導(dǎo)體激光器和從分布反饋半導(dǎo)體激光器之間的中心波長(zhǎng)失諧，使從分布反饋半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生出帶寬的混沌激光。本發(fā)明光注入半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生寬帶混沌激光實(shí)現(xiàn)了光子集成，提高了混沌激光的性能，大大減小了器件的體積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，工藝流程簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，在未來(lái)的光通信及光子信號(hào)處理領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)H01S5/40GK102882127SQ20121034995
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者趙清春, 殷洪璽, 竇欣宇, 曹暾 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)