基于双模正方形微腔激光器的可调谐光频梳的制作方法
【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I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η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Λ η的关系，其中正方形边长a为30 μπι ;
[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Λ λ、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I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；Ρ型和η型电极。
[0019]衬底11的材料可以为各种II1-V族材料，如InP和GaAs，可以为IV族材料及其化合物，如S1、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, AlGaN, GaN等II1-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, AlGaInAs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?100 μ m之间，输出波导13宽度Wg介于O?a/5之间，其中Wg = O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Λ λ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0.2 μ m厚的SiNx层和BCB层限制