基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳

摘要

本发明公开了一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，包括：双模正方形微腔激光器，用于产生间距可调的双模激射；光纤放大器，用于将光信号放大；高非线性光纤，利用其级联四波混频效应展宽获得光频梳。其中双模正方形微腔激光器包括：衬底；正方形微腔；输出波导；电注入窗口，形成于正方形微腔顶部，非注入区域由介质层覆盖；p型和n型电极。本发明提供了一种间距可调的双模激光器实现方案，结构简单，基于该激光器利用高非线性光纤内级联四波混频效应展宽获得频率间隔稳定的可调谐光频梳。

权利要求

1.一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，包括：

双模正方形微腔激光器(1)，用于产生间距可调的双模激射；

光纤放大器(2)，其输入端与双模正方形微腔激光器(1)输出端相连，用于将光信号放大；

高非线性光纤(3)，与光纤放大器(2)输出端相连，利用其级联四波混频效应展宽获得可调谐光频梳，其特征在于：所述的双模正方形微腔激光器(1)包括：

衬底(11)；

正方形微腔(12)；

输出波导(13)，与正方形微腔(12)直接相连或者通过消逝波侧向耦合输出光；

电注入窗口(14)，形成于正方形微腔(12)顶部，非注入区域由介质层(15)覆盖，其中电注入窗口(14)的形状被设置为从该电注入窗口(14)注入电流会产生不均匀的载流子分布或者温度分布；

p型和n型电极。

2.根据权利要求1所述的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中双模正方形微腔激光器(1)的正方形微腔(12)和输出波导(13)都包括：下限制层(121)、有源层(122)和上限制层(123)，下限制层(121)和上限制层(123)的材料为InP、AlAs、AlGaN或GaN，有源层(122)材料为InGaAs、InGaAsP或AlGaInAs；下限制层(121)生长或者键合在衬底(11)上，有源层(122)生长在下限制层(121)上。

3.根据权利要求1所述的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中所述介质层(15)的材料是二氧化硅或者氮化硅。

4.根据权利要求1所述的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中所述衬底(11)的材料是IV族半导体材料及其化合物、III-V、II-VI、IV-VI族化合物、有机半导体材料或蓝宝石。

5.根据权利要求1所述的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中所述正方形微腔(12)边长a介于5～100μm之间，输出波导(13)宽度wg介于0～a/5之间，可通过改变正方形微腔(12)边长来改变双模间距，从而控制双模工作范围。

6.根据权利要求2所述的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中所述电注入窗口(14)为方环形或者圆环形，也可以用该类形状的电极替代。

7.根据权利要求1所述的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中所述双模正方形微腔激光器(1)的输出光在进入高非线性光纤(3)之前，经过一级或者多级光纤放大器(2)放大光功率。

8.根据权利要求1所述的一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中所述双模正方形微腔激光器(1)的输出光在进入高非线性光纤(3)之前，采用光滤波器滤去其它模式及噪声。

9.根据权利要求1至8任一项所述的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，其中所述双模正方形微腔激光器(1)是用于产生可调谐微波信号。

说明书

基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳

技术领域

[0001] 本发明涉及光通信、半导体光电子学和微波光子学领域，主要涉及一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，更具体的是本发明提出了结构简单、尺寸小、间距可调的双模正方形微腔激光器，以及基于此的可调谐光频梳产生系统。

背景技术

[0002] 以回音壁模式微盘激光器为代表的光学微腔激光器是利用侧壁全反射来实现对光场的强限制，腔中产生了品质因子极高的回音壁模式，具有很小的模式体积、低功耗、高速率的特点，易于集成。正方形微腔激光器中，基横模和一阶横模都具有较大的品质因子，可实现稳定的双横模激射。而且相比圆形或者其它多边形微腔激光器，正方形微腔激光器具有更均匀的场分布，载流子利用率高，空间烧孔效应小，可以获得较高的斜率效率和输出功率。与独立的两个激光器拍频相比，双模正方形激光器的两个激射模式产生于同一个正方形腔内，通过拍频可获得稳定性好、线宽较窄的微波信号，受外界环境影响较小。其结构简单，制作工艺简单，尺寸小，易于集成。

[0003] 利用双模正方形微腔激光器微波频率稳定性好的优点，可以将其作为光频梳的种子源，通过高非线性光纤内级联四波混频效应展宽获得频率间隔稳定的光频梳。光频梳技术在光通信、高精度光学测量、微波信号处理以及光学原子钟等领域都有重要应用价值和发展前景。相比于利用锁模激光器等其它产生光频梳的方法，以双模正方形微腔激光器为种子源产生光频梳的系统结构简单、体积小、成本低。而且光频梳的梳齿间隔由双模正方形激光器的双模间隔决定，可以从几GHz覆盖到几百GHz。但利用这种双模激光器产生可调谐光频梳面临一个问题：如何实现间距可调谐的双模正方形微腔激光器。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，利用特殊电注入窗口形成不均匀的载流子分布或者温度分布，其导致的不均匀折射率分布会改变双模间距，可通过调节注入电流实现间距可调的双横模激射，并基于该激光器利用高非线性光纤内级联四波混频效应展宽获得频率间隔稳定的可调谐光频梳。相比于其它双模激光器，本发明提供的间距可调的双模激光器实现方案，只需一个正方形微腔，具有尺寸更小、结构简单、制作工艺简单、易于集成、微波频率稳定等优点。

[0005] 本发明提供一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，包括：双模正方形微腔激光器1，用于产生间距可调的双模激射；光纤放大器2，用于将光信号放大；高非线性光纤3，利用其级联四波混频效应展宽获得光频梳。其中双模正方形微腔激光器1包括：衬底11；正方形微腔12；输出波导13；电注入窗口14，形成于正方形微腔12顶部，非注入区域由介质层15覆盖；p型和n型电极。

[0006] 正方形微腔激光器的基横模和一阶横模都具有较大的品质因子，模式间距小，其模式结构决定了其易实现稳定的双横模激射。利用方环形等特殊形状的电注入窗口使得其载流子、温度分布不均匀，形成不均匀的折射率分布。由于在该方环形区域基横模的光场分布较强，而一阶横模分布较弱，折射率分布差对两模式波长产生不同影响，从而改变双模间距。不同注入电流下，折射率分布差不同，因此可通过调节注入电流实现间距可调的双横模正方形激光器。双横模正方形激光器产生的光信号放大后经过高非线性光纤内级联四波混频效应展宽可获得频率间隔稳定的可调谐光频梳。

[0007] 本发明的有益效果是，利用方环形等特殊形状的电注入窗口，通过调节注入电流实现间距可调的双横模正方形激光器；其产生的光信号放大后经过高非线性光纤内级联四波混频效应展宽可获得可调谐光频梳，也可以经高速探测器产生可调谐微波信号，为可调谐光频梳、可调谐微波信号源提供了结构更简单、尺寸更小的解决方案。

附图说明

[0008] 为了更清楚地介绍本发明的上述目的和优点，本说明将结合实例及附图来进一步说明，其中：

[0009] 图1是基于双模正方形微腔激光器产生可调谐光频梳的系统示意图；

[0010] 图2是正方形微腔中基横模、一阶横模波长间距Δλ随边长a的变化情况；

[0011] 图3是基横模、一阶横模波长间距与电注入窗口区域、非注入区域折射率差Δn的关系，其中正方形边长a为30μm；

[0012] 图4是本发明提供的实例中双模正方形微腔激光器的功率-电流、电压-电流曲线；

[0013] 图5是本发明提供的实例中双模正方形微腔激光器在注入电流为90mA时的光谱图，插图为其精细光谱图；

[0014] 图6是本发明提供的实例中双模正方形微腔激光器双模间距Δλ、双模强度比与注入电流I变化关系曲线；

[0015] 图7是本发明提供的实例中双模正方形微腔激光器的微波频谱图；

[0016] 图8是本发明提供的实例基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳的光谱图。

具体实施方式

[0017] 请参阅图1所示，本发明提供一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳，包括：双模正方形微腔激光器1，用于产生间距可调的双模激射；光纤放大器2，用于将光信号放大；高非线性光纤3，利用其级联四波混频效应展宽获得光频梳。双模正方形微腔激光器1输出光经光纤放大器2放大后，利用高非线性光纤中级联四波混频效应展宽获得频率间隔稳定的光频梳，通过调节注入电流大小调节频率间距。以下对本实施例基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳的各部分进行详细说明。

[0018] 间距可调谐的双模正方形微腔激光器如图1上部分所示，包括：衬底11；正方形微腔12；输出波导13；电注入窗口14，形成于正方形微腔12顶部，非注入区域由介质层15覆盖；p型和n型电极。

[0019] 衬底11的材料可以为各种III-V族材料，如InP和GaAs，可以为IV族材料及其化合物，如Si、Ge和SiC，也可以是IV-VI族化合物、有机半导体材料、蓝宝石。正方形微腔激光器12制作在衬底11上，自下而上包括：下限制层121、有源层122和上限制层123。下限制层121和上限制层123的材料可以为InP、AlAs、A1GaN、GaN等III-V族材料，下限制层121生长或者键合在衬底11上。有源层122生长在下限制层121上，材料为InGaAs、InGaAsP、A1GaInAs等量子阱或者量子点材料，作为激光器的增益区。介质层15位于正方形微腔12以及输出波导13顶部，覆盖于非电电注入窗口区域，其材料可以为二氧化硅、氮化硅或者其它绝缘材料。

[0020] 正方形微腔12边长a介于5～100μm之间，输出波导13宽度wg介于0～a/5之间，其中wg＝0对应于无输出波导的情况。根据正方形微腔尺寸设计合理的输出波导宽度，使其基横模、一阶横模都具有较大的品质因子，实现稳定的双横模激射。电注入窗口14可以是但不仅限于方环形、圆环形等形状，其特征在于从该电注入窗口14注入电流会产生不均匀的载流子分布或者温度分布，导致不均匀的折射率分布，影响两个场分布不同的模式波长间距，从而可通过调节注入电流大小实现间距可调的双模激射。

[0021] 在具体制作工艺上，正方形微腔12可以通过干法或者湿法刻蚀等方法制备，或者材料选区生长方法制备。在正方形微腔12顶部覆盖介质层15，通过干法或者湿法刻蚀形成特殊形状的电注入窗口14。而特殊形状的电注入窗口14也可以用该类型的图形电极替代。

[0022] 图2是利用二维有限时域差分方法进行数值计算得到的完整正方形微腔12中1550nm附近的基横模、一阶横模波长间距Δλ随正方形边长的变化关系曲线。其中正方形微腔12材料为InP，侧向由0.2μm厚的SiNx层和BCB层限制，InP、SiNx和BCB折射率分别为3.2、
2、1.54。两横模波长间距随着正方形边长增加而减小，当边长从10μm增加至30μm时，模式间距从1.86nm减小至0.27nm，对应微波频率从238GHz降低至34GHz。由于在正方形微腔12中高Q模式在角区分布弱，因此在顶点处输出波导13的引入以及其宽度对基模、一阶横模波长间距影响较小，尤其是对于较大尺寸的正方形腔，波导对模式间距的影响可忽略。

[0023] 图3是基横模、一阶横模波长以及二者间距Δλ与方环形电注入窗口区域、非注入窗口区域折射率差Δn的关系。其中正方形微腔12边长30μm，输出波导13宽度2.5μm，方环形电注入窗口14宽度4μm。在注入电流下电注入窗口区域载流子浓度较大，温度也较高，载流子浓度差、温度差都会对折射率产生影响。假设非注入窗口区域折射率为n＝3.2，电注入窗口区域折射率为n+Δn。两横模波长间距随着Δn增加而增加，其中一阶横模模式波长比基横模短。当Δn从-0.004增加至0.004时，模式间距从0.04nm增家至1.10nm，对应微波频率从5GHz增加至137GHz。不同注入电流下，两区域载流子浓度差、温度差不同，折射率差Δn也不同，可以通过调节注入电流实现基横模和一阶横模波长间距的可调。

[0024] 图4是给出了本发明一种基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳的实例中，边长30μm、电注入窗口宽度4μm、输出波导宽度2.5μm的双模正方形微腔激光器的功率-电流、电压-电流曲线。该曲线表明器件实现了室温连续电注入激射。

[0025] 图5是给出了本发明提供的实例中双模正方形微腔激光器在注入电流为90mA时的光谱图，插图为其精细光谱图。双模强度差小于1dB，波长间距Δλ为0.26nm，对应微波频率为30GHz，实现了良好的双横模工作，并同时在双模两侧观测到由四波混频效应产生的边带。

[0026] 图6是给出了本发明提供的实例中双模正方形微腔激光器双模间距Δλ、双模强度比与注入电流I变化关系曲线。当电流从88mA增加至110mA时，实现了双横模激射，并且双模间距从0.25nm增加至0.41nm，对应微波频率约从30GHz增加至50GHz。此结果证明了该实例可以通过调节注入电流实现双横模正方形微腔激光器模式间距的可调谐。

[0027] 图7是给出了本发明提供的实例中双模正方形微腔激光器输出光经高速光电探测器产生微波信号的频谱，其中注入电流为90、95、100、105mA，微波频率分别30.56、32.70、35.12、39.5GHz，频率稳定性好，3-dB线宽约为40MHz。此结果证明该实例中双模正方形微腔激光器可以产生频率稳定的可调谐微波信号。

[0028] 图8是以本发明提供的实例基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳的光谱图，其中梳齿间隔为71GHz。此结果证明该实例中双模正方形微腔激光器1的输出光经光纤放大器2放大后，利用高非线性光纤3中级联四波混频效应展宽获得频率间隔稳定的光频梳。

[0029] 提供的实例结果证明，图1中的双模正方形微腔激光器1可以实现稳定的双横模激射，特殊的电注入窗口使得可通过调节注入电流大小实现双模间距的可调谐，两个模式拍频可产生频率稳定、线宽较窄的可调谐微波信号；并且以该激光器输出光为种子源，经光纤放大器2放大后利用高非线性光纤3中级联四波混频效应展宽可获得可调谐光频梳。该实例结果验证了图1所示的基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳的可行性。

[0030] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。