一种半导体锁模激光器的制作方法

本实用新型涉及半导体激光器领域，尤其是一种半导体锁模激光器。

背景技术：

半导体锁模激光器(semiconductormode-lockinglaser，另称脉冲激光器)，是指将激光器腔体内具有随机初始相位关系的多纵模，通过技术手段调整为具有固定相位差，最终实现输出超窄脉宽、高光强的时序光脉冲，其频域上表现为具有固定模式间隔的光学频率梳。目前，激光器运用范围和运用前景十分广泛，例如在高速光通信中时钟恢复、毫米波/太赫兹信号产生、微波信号处理、生物医学成像中发挥着重要作用。

现有激光器的技术方案中，激光器振荡腔的有效光程为固定值，导致激光器的重复频率为固定值。这一技术缺点限制了激光器的在众多场景中的运用，例如在基于耦合光电振荡微波信号源的具体运用中，重复频率的不可调节导致信号源只能产生频率单一的微波信号；在基于频域特性的光学频率梳中，梳子的间隔为固定值，导致只能采用频率间隔为一倍或多倍频光学频率梳，无法实现连续可调的性能。此外，在需要精确脉冲重复频率的具体运用中，由于半导体器设计和制作上的工艺误差，导致无法准确控制脉冲重复频率满足设计需求。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的是提供一种脉冲重复频率可调谐的半导体激光器。

本实用新型所采用的技术方案是：

第一方面，本实用新型提供一种脉冲重复频率可调谐的半导体锁模激光器，包括：第一反射器、第二反射器、饱和吸收体、半导体增益介质、时延调制器；

所述第一反射器与所述第二反射器相对设置；

所述饱和吸收体设置于所述第一反射器的一侧；

所述半导体增益介质设置于所述饱和吸收体远离所述第一反射器的一侧；

所述时延调制器设置于所述半导体增益介质远离所述饱和吸收体的一侧；

所述第二反射器设置于所述时延调制器远离所述半导体增益介质的一侧。

进一步地，所述时延调制器由环形谐振腔组合和移相器所构成。

进一步地，所述第一反射器为全反射镜，所述第二反射器为半反射镜。

进一步地，所述饱和吸收体和所述半导体增益介质为半导体放大器。

进一步地，当耦合系数为[1,1,1,1]时，环形谐振腔的时延为理论最大值τmax＝crr*neff/c；当耦合系数为[0,0,0,0]时，时延为理论最小值τmax＝ls*neff/c，其中crr为环形谐振腔周长，ls为下臂直波导的总长，neff为波导的有效折射率为，c为光速。

进一步地，所述半反射镜为分布布拉格反射镜。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过在激光器的腔体内引入可连续调控的时延介质，以在不影响激光器正常工作情况下，改变腔体内部的有效光程，以输出重复频率可连续调谐的超窄光脉冲。

通过外部调控腔体内部时延介质，实现激光器脉冲重复频率的连续可调谐，克服现有的模型在推向实际运用中的限制。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种半导体锁模激光器系统框图；

图2是本实用新型实施例的一种半导体锁模激光器系统结构图；

图3是本实用新型实施例的一种多级环形谐振腔时延结构图；

图4是本实用新型实施例的一种锁模激光器输出波长曲线图；

图5是本实用新型实施例的一种环形谐振腔组合时延曲线图；

图6是本实用新型实施例的一种输出信号与脉冲重复频率曲线图。

附图标记说明：100、半导体锁模激光器；200、半导体锁模激光器；1、第一反射器；2、第二反射器；3、饱和吸收体；4、半导体增益介质；10、多模干涉反射器；20、有源分布式布拉格光栅；30、第一半导体放大器；40、第二半导体放大器；5、时延调制器；51、环形谐振腔组合；52、相移器；511、第一相移器；512、第二相移器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例的一种半导体锁模激光器系统框图。如图1所示，半导体锁模激光器系统框包括：第一反射器1、第二反射器2、饱和吸收体3、半导体增益介质4、时延调制器5。第一反射器1与第二反射器2相对设置；饱和吸收体3设置于第一反射器1的一侧；半导体增益介质4设置于饱和吸收体3远离第一反射器1的一侧；时延调制器5设置于半导体增益介质4远离饱和吸收体3的一侧；第二反射器2设置于时延调制器5远离半导体增益介质4的一侧。

其中，第一反射器1为全反射镜，以作为腔体反射镜；第二反射器2的半反射镜，以作为腔体反射镜兼脉冲输出端口。第一反射器1与第二反射器2相对设置以形成半导体锁模激光器的谐振腔体，并将饱和吸收体3、半导体增益介质4、时延调制器5分别设置于腔体中。当半导体锁模激光器100工作时，饱和吸收体3和半导体增益介质4两者相互作用，以实现脉冲序列的输出。通过对时延介质的调控以实现激光器脉冲重复频率的调控，且脉冲序列的重复频率与半导体激光器100的谐振腔体内的时延呈倒数关系。

在半导体锁模激光器100产生较大光强的情况下，饱和吸收体3对谐振腔体内的激光造成的损耗较小；在半导体激光器产生较小光强的情况下，饱和吸收体3对谐振腔体内的激光造成的损耗较大。通过对激光腔内的损耗(q值)进行调制，并发射脉冲，以使产生的脉冲宽度处于在几纳秒甚至几十皮秒量级。

在半导体锁模激光器100初始工作的状态下，半导体增益介质4的所产生的噪声起伏在谐振腔体内不断被放大，以其中一个功率最大的噪声峰补偿饱和吸收体2带来的功率损耗，而其他的低功率噪声在谐振腔体内的损耗大于增益，震荡过程中功率逐渐衰退至0。当剩下唯一的噪声峰被半导体增益介质4持续放大，当达到饱和吸收体3的饱和功率时，激发其中的载流子从价带到导带发生迁移，饱和吸收体3出现透明状态，损耗下降。在此状态下，谐振腔体内光功率急剧变大，达到半导体增益介质4的饱和功率，其增益持续下降，并且很快低于腔体内的损耗。一段时间后，由于损耗大于增益，光强下降，饱和吸收体和增益介质恢复正常。在上述过程中，饱和吸收体3和半导体增益介质4逐渐发生慢饱和吸收并形成了净增益，同时产生光脉冲序列。

当半导体锁模激光器100稳定工作时，所产生脉冲的重复频率与其腔体内往返时间呈倒数关系，通过对激光器100的谐振腔体内部的时延调制器5调控，可实现对脉冲重复频率的调控。在众多时延调制器5调控方案中，多级级联的滤波器由于其时延调控范围大、可重构性强，在全光信号处理中被广泛运用。多级级联的滤波器频率响应的z变化可表示为：

请参阅图2，图2是本发明实施例的一种半导体锁模激光器系统结构图。如图2所示，第一反射器1为多模干涉反射器10，其反射率为100％；第二反射器2为有源分布式布拉格光栅20(distributionbragggrating,dbr)，耦合强度为κ＝50cm^-1，长度为ldbr＝200μm，反射率为50％～60％。通过将第一反射器1和第二反射器2相对设置以构成半导体锁模激光器200的谐振腔体。通过外部设置不同的电流值以对第二反射器2进行调控，以选择不同的滤波中心波长，从而调控半导体激光器输出波长。

在反偏电压的作用下，将第一半导体放大器30作为饱和吸收体3，以对半导体锁模激光器200的谐振腔体内的损耗进行调制，并发射脉冲，所产生的脉冲宽度在几纳秒甚至几十皮秒量级。在注入电流的作用下，将第二半导体放大器40作为半导体增益介质4，以向半导体激光器200提供增益，并实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大。其中，第一半导体放大器30长度为100μm，第二半导体放大器30长度为1000μm。移相器52(phasershifter，ps)是长度为130μm的有源波导，可注入不同的电流值并配合有源分布式布拉格光栅，可实现锁模激光器输出波长的大范围、高精度调节。

时延可重构的环形谐振腔组合51为4级级联的环形谐振腔，以构造具有连续可调谐的平坦时延全通滤波器。其中环形谐振腔周长为crr，下臂直波导的总长为ls，波导的有效折射率为neff，c为光速。选择合适的耦合系数[κ1,κ2,κ3,κ4]和相对相位组合，可实现在一定范围内平坦时延的连续可调谐。可调谐的范围由环形谐振腔长度决定。两种极限情况：当耦合系数为[1,1,1,1]时，环形谐振腔的时延为理论最大值τmax＝crr*neff/c；当耦合系数为[0,0,0,0]时，光信号只经过下臂的直波导，此时的时延为理论最小值τmax＝ls*neff/c。

例如第一半导体放大器20上设置大小为-0.7～-0.8v的反偏电压，以使其呈现饱和吸收体的工作特性，可吸收从可见光到中红外波长段内的光；在第二半导体放大器30上注入电流，以使其呈现增益介质的工作特性，半导体激光器200的工作阈值为25～30ma，稳定的态工作电流为阈值的50～90ma。

半导体锁模激光器200激发的光信号为一个宽谱多纵模信号，其波长的调控过程为选择不同模式的过程。通过改变有源分布式布拉格光栅20上的注入电流值可连续的调控有效折射率，从而连续调控光栅的中心波长。通过对腔体内的相移器52上注入电流，以改变其有效折射率从而实现谐振腔体内振荡时间的线性微调。通过同时调控有源分布式布拉格光栅20、相移器52，以在一定范围内精确调节频域上光学频率梳的中心波长。时延可重构的环形谐振腔组合51构成全通滤波器，其具有连续可调谐的平坦时延，时延大小和幅度响应受耦合系数和相对相位控制。

由于在有源分布式布拉格光栅20和相移器52注入电流后，两者的折射率均为增大，因此随着注入电流的增大，半导体激光器200只发生蓝移，即半导体激光器200所发射光波的频率会向电磁频谱的蓝色端移动。

在其他实施例中，可通过调节各环形谐振腔的耦合系数和相对相位，以对中心波长实现可调谐。

在其他实施例中，可利用大带宽的多模干涉反射镜代替右端的有源分布式布拉格光栅20作为半反射镜以构造激光器谐振腔，其可时域上可使得脉冲的脉宽变窄，频域上使得所产生的光学频率梳谱宽变大，包含更多梳子，而半导体激光器200的中心波长为固定值。

在其他实施例中，通过在半导体激光器200的线性腔体中引入法布里-珀路腔(f-p腔)或一维光子晶体以替代时延调制器5。其中，通过设置布里-珀路腔以在半导体激光器内部引入一个振荡腔，进而提供可调制的时延；通过设置一维光子晶体以在半导体激光器内部引入可调控的时延介质，例如布拉格波导光栅，通过外部注入电流，可连续调控色散从而改变光栅群时延的大小，实现脉冲重复频率的连续可调谐。

请参阅图3，图3为本发明实施例的一种多级环形谐振腔时延结构图。如图3所示，每个环形谐振腔为单臂型，耦合部分为由两个2x2的对称马赫曾德尔干涉仪(mach-zehnderinterferometry，mzi)，上臂左右端口相接形成闭合的环形谐振腔，在腔体中包含一个可调谐的第一相移器511，通过控制注入电流控制每个环形谐振器的相对相移下臂为直波导部分，其中包含一个可调谐的相移器512，通过控制波导的注入电流，以实现耦合系数在0～1范围内调谐。由此，n阶环形谐振腔的频率响应的z变化可表示为：

其中为相对相移，kn为耦合系数。

其频率响应可由z＝exp(-j2πf/ffsr)＝exp(-j2πv)得到，ffsr为环形激光器的自由频谱范围，v为归一化频率。多级级联的环形谐振腔的时延可由每一级时延的叠加，单位环长的总时延τ(v)可表示为：

请参阅图4，图4为本发明实施例的一种锁模激光器输出波长曲线图。如图4所示，通过设置环形谐振腔耦合系数组合为[κ1,κ2,κ3,κ4]、相对相位的组合为形式，以不同的参数设置不同的时延。通过改变时延，以对激光器腔体振荡时间进行连续调谐，进而对脉冲重复频率进行连续调谐。

如图4所示，当分别设置有源分布式布拉格光栅20上的电流值为0ma、1ma和2ma时，半导体激光器200对应的中心波长分别为1543.8nm、1542.9nm和1541.2nm。此外，有源分布式布拉格光栅分别设置上述的三个电流值时，在相移器52的注入电流为0.5ma，则半导体激光器200工作的中心波长均小幅度偏移约0.1nm。

请参阅图5，图5为本发明实施例的一种环形谐振腔组合时延曲线图。如图5所示，纵坐标为群延迟，横坐标为自由频谱范围。使用光电探测器检测半导体激光器输出脉冲信号，由图可知，在频域上单倍频信号(脉冲重复频率)，不同的时延下对应的脉冲重复频率不同。

请参阅图6，图6为本发明实施例的一种输出信号与脉冲重复频率曲线图。如图6所示，纵坐标为输出功率，横坐标为自由频谱范围。由图可知，输出信号单倍频(脉冲重复频率)的频谱，在不同时延下，对应不同脉冲重复频率。

综上所述，根据不同类型锁模激光器在高重复频率、超窄带宽，时间抖动稳定性等不同的优势，可选择不同类型激光器实现方案进行具体实施。本实施例所设计锁模激光器主要针对微波信号的产生和处理方面的具体实施，选择被动激光器作为设计方案。利用被动激光器作为光信号源，在微波信号的光子学产生和处理方面有很多运用，典型的方案如：基于耦合光电振荡系统的微波信号产生、基于时域脉冲特性的测距和基于频域宽谱特性的光学频率梳产生。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。