一种超高频光学频率梳量子点锁模激光器及其制备方法与流程

1.本发明涉及锁模激光器技术领域，尤其涉及一种超高频光学频率梳量子点锁模激光器及其制备方法。


背景技术：

2.锁模激光器因其产生的脉冲波具有脉宽窄，峰值功率高，重频率高和光谱宽等特性也被称为超快激光器。随着激光技术的快速发展，锁模激光器已被广泛应用于众多前沿技术。比如：光学时钟，纳米材料加工，激光雷达探测，毫米波、太赫兹产生等。锁模激光器的锁模方式可分为主动锁模、被动锁模以及混合锁模技术。其中，被动锁模利用可饱和吸收体非线性的光学特性：即对高强度的输入光脉冲达到漂白作用，同时对弱光具有完全吸收的作用，实现腔内各纵模之间的相位锁定，进而较容易的产生超短脉冲。
3.在过去的二十多年间，光学频率梳的问世打破了射频与光频技术领域间互相独立的关系，它巧妙的将光学频率与微波频率链接一起，实现了两者之间的双向转换，突破了信号处理的瓶颈，从而推动了光电子学的发展并且为各领域带来了前所未有的可能。在众多实现光学频率梳的技术中，半导体锁模激光器凭借其尺寸小、阈值低、结构简单以及操作便利等诸多优点，经久不衰并被誉为最有前景的梳状谱发射器之一。
4.目前，光学频率梳，除了在气体成分分析、激光雷达、全球定位系统gps等技术上的应用，其在光通讯系统中也扮演着至关重要的角色。为了应对与日俱增的信息传输需求，人们提出了波分复用(wdm)的概念，即不同波长携带不同信号在同一根光纤中进行通讯传输，这样可以在提高通信容量的同时减少光纤数目，从而降低成本与能耗。而其中的细波分复用(dwdm)技术，因其波段间隔密集(200ghz/100ghz/50ghz)成为了线路带宽扩容的最有效方案。近年来，随着光网络的发展，5g前传网络因受色散限制导致的高速短距传输问题再次将大家的目光聚集在o波段色散代价低的独特优势上。然而，现阶段o波段dwdm技术仍在探寻摸索阶段，缺少标准化技术，主要原因为其技术要求高，缺少合适的光源。目前市面上的高重频(>100ghz)锁模激光器存在以下缺点：
5.1.基本位于c波段，缺少o波段光源；
6.2.产生脉冲波的机理较复杂，为了得到稳定的超高频光学频率梳，在实际操作中需要涉及多个主动/被动光学器件之间的光路耦合，因此对于操作者的技能要求较高，不易推广使用；
7.3.材料增益不足以满足激光器件在极短腔长(几百微米)下实现稳定激射，因此无法满足单片器件被动锁模条件；
8.4.即使是最简单的两段式被动锁模器件仍需通过电压与电流的综合作用达到稳定锁模条件，电压源与电流源缺一不可，因此传统的两段式被动锁模器件不可避免的存在如操作繁琐、能耗高、成本贵等缺点。


技术实现要素：

9.本发明的目的是克服现有技术中的缺点和不足，提供了一种超高频光学频率梳量子点锁模激光器及其制备方法，通过增加有源区量子点密度并优化量子点生长条件，提高了有源区量子点的均一性以及材料增益，从而实现锁模激光器器件在其特定的材料体系中实现腔长小于特定值的稳定激射。具有低能耗、高效率、低成本、操作便捷和可规模生产的特点。
10.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超高频光学频率梳量子点锁模激光器，包括衬底、正电极和负电极，以及自下而上依次生长在衬底1上侧面的gaas n型接触层、n型熔覆层、inas量子点有源区、p型熔覆层和gaas p型接触层，所述负电极蒸镀在衬底的下侧面，gaas p型接触层包括电隔离刻蚀且并列设置的增益区和可饱和吸收体，可饱和吸收体与增益区的长度比例为1:4
‑
1:6，正电极蒸镀在增益区上。
11.优选地，所述n型熔覆层包括自下而上依次设置的第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层，p型熔覆层包括自下而上依次设置的第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层，其中x的取值范围为[0.2，0.99]。
[0012]
优选地，所述衬底为半绝缘gaas衬底或半绝缘硅衬底。
[0013]
本发明还提供了一种超高频光学频率梳量子点锁模激光器制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0014]
s1、将衬底送入分子束外延生长腔中进行高温脱氧处理；
[0015]
s2、在经过高温脱氧后的衬底上依次生长gaas n型接触层、n型熔覆层、inas量子点有源区、p型熔覆层和gaas p型接触层，得到锁模激光器样品；
[0016]
s3、对步骤s2中所得到的锁模激光器样品进行脊型波导刻蚀；
[0017]
s4、在脊型波导刻蚀后的锁模激光器样品上镀绝缘层并进行平坦化处理；
[0018]
s5、在gaas p型接触层上蒸镀正电极；
[0019]
s6、在可饱和吸收体与增益区之间进行电隔离刻蚀，以使可饱和吸收体占锁模激光器样品总腔长度的14％
‑
20％；
[0020]
s7、减薄处理并在衬底的下侧面蒸镀负电极；
[0021]
s8、后期处理。
[0022]
优选地，所述步骤s1中，所述衬底为半绝缘硅衬底时，分子束外延生长腔的温度为900
‑
1100℃；所述衬底为半绝缘gaas衬底时，分子束外延生长腔的温度为500
‑
650℃。
[0023]
优选地，所述步骤s2的具体实现方式包括：
[0024]
s21、在经过高温脱氧后的衬底上生长一层厚度为300nm的gaas n型接触层，gaas n型接触层载流子浓度为0.8
×
10
18
‑
1.2
×
10
18
cm
‑3；
[0025]
s22、在gaas n型接触层上生长由第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层所构成的n型熔覆层，其中，第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的厚度分别为20
‑
100nm、1
‑
1.5μm和10
‑
100nm，第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的载流子浓度均为1
×
10
17
‑
10
×
10
17
cm
‑3；
[0026]
s23、在n型熔覆层上生长8
‑
10个周期的高密度inas量子点有源区，其中每个周期
均按照以下生长步骤进行：首先生长厚度为35.5nm的gaas浸润层，然后沉积体积为3ml的inas量子点材料层，之后在inas量子点上沉积厚度为3.7nm的ingaas覆盖层，最后生长厚度为35.5nm的gaas间隔层，进而使得inas量子点有源区的量子点密度不低于5.9
×
10
10
cm
‑2；
[0027]
s24、在inas量子点有源区上生长由第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层构成的p型熔覆层，其中，第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的厚度分别为20nm、1.4μm和20nm，第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的载流子浓度分别为4.0
×
10
17
‑
4.4
×
10
17
cm
‑3、6.5
×
10
17
‑
7.5
×
10
17
cm
‑3和1.2
×
10
19
‑
1.6
×
10
19
cm
‑3；
[0028]
s25、在p型熔覆层上生长一层厚度为400nm的gaas p型接触层，gaas p型接触层载流子浓度为1.8
×
10
19
‑
2.2
×
10
19
cm
‑3。
[0029]
优选地，所述步骤s3中，利用光刻或感应耦合离子刻蚀的方法在激光器样品上进行脊型波导刻蚀，其刻蚀深度为1.5
‑
1.8μm。
[0030]
优选地，所述步骤s4中，首先利用等离子体增强化学气相沉积方法在激光器样品上镀绝缘层，绝缘层的厚度为150
‑
200nm，然后在绝缘层上进行图形处理和顶层开窗以暴露出脊型波导的gaas p型接触层，之后进行平坦化处理。
[0031]
优选地，所述步骤s6中，利用光刻或湿法刻蚀技术对gaas p型接触层进行电隔离刻蚀以实现可饱和吸收体与增益区之间的长度比例为1:4
‑
1:6，确保可饱和吸收体占总腔长的14％
‑
20％。
[0032]
优选地，所述步骤s7中，首先将衬底1的厚度减薄至120
‑
200μm，然后利用电子束溅射或磁控溅射在衬底的下侧面上蒸镀负电极，最后进行快速褪火处理，褪火温度为700
‑
750℃，褪火时长为15
‑
60秒。
[0033]
与现有技术比较，本发明通过增加有源区量子点密度并优化量子点的生长条件，提高了锁模激光器的材料增益，并采用电隔离刻蚀将可饱和吸收体和增益区的长度比例分为1:4
‑
1:6，使得可饱和吸收体占总腔长的14％
‑
20％，从而能够达到无电压条件稳定的亚皮秒锁模状态，有效降低了成本和消耗，并在操作上提供了极大的便利。具有低能耗、高效率、低成本、操作便捷和可规模生产的特点。
附图说明
[0034]
图1是本发明中超高频光学频率梳量子点锁模激光器的结构示意图；
[0035]
图2是本发明中超高频光学频率梳量子点锁模激光器制作方法的流程图；
[0036]
图3是本发明中超高频光学频率梳量子点锁模激光器的光谱图；
[0037]
图4是本发明中超高频光学频率梳量子点锁模激光器的脉冲图。
[0038]
图中，1.衬底，2.gaas n型接触层，3.n型熔覆层，4.inas量子点有源区，5.p型熔覆层，6.gaas p型接触层，61.增益区，62.可饱和吸收体，7.正电极，8.负电极。
具体实施方式
[0039]
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
[0040]
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0041]
参照图1所示，图1是本发明中超高频光学频率梳量子点锁模激光器的结构示意图。
[0042]
一种超高频光学频率梳量子点锁模激光器，包括衬底1、正电极7和负电极8，以及自下而上依次生长在衬底1上侧面的gaas n型接触层2、n型熔覆层3、inas量子点有源区4、p型熔覆层5和gaas p型接触层6，所述负电极8蒸镀在衬底1的下侧面，gaas p型接触层6包括电隔离刻蚀且并列设置的增益区61和可饱和吸收体62，可饱和吸收体62与增益区61的长度比例为1:4
‑
1:6，正电极7蒸镀在增益区61上。
[0043]
本实施例中，首先自下而上在衬底1上依次生长一层gaas n型接触层2、n型熔覆层3、inas量子点有源区4、p型熔覆层5和gaas p型接触层6，然后利用电隔离刻蚀将gaas p型接触层6分为长度比为1:4
‑
1:6的可饱和吸收体62与增益区61，最后在衬底1的下侧面和增益区61上分别蒸镀负电极8和正电极7，从而得到所述锁模激光器，由于可饱和吸收体62占锁模激光器总腔长的14％
‑
20％，锁模激光器能够达到无电压条件稳定的亚皮秒锁模状态，有效降低了成本和消耗，并在操作上提供了极大的便利。具有低能耗、高效率、低成本、操作便捷和可规模生产的特点。
[0044]
如图1所示，所述n型熔覆层3包括自下而上依次设置的第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层，p型熔覆层5包括自下而上依次设置的第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层，其中x的取值范围为[0.2，0.99]。
[0045]
本实施例中，所述第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的厚度分别为20nm、1.4μm和20nm；所述第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的厚度分别为20nm、1.4μm和20nm，其中x的取值可根据实际需求情况在[0.2，0.99]进行相应调整。
[0046]
本实施例中，所述第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层为第一n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、n型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第二n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层，所述第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层为第一p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、p型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第二p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层。
[0047]
其中，所述衬底1为半绝缘gaas衬底或半绝缘硅衬底。在gaas材料体系中，其有效折射率在1310波段约为3.7，通过公式l＝c/(2*n
r
*f)(式中，c表示光传播速度，f表示锁模激光器腔长所对应的重复频率，n
r
表示材料的光折射率，l表示锁模激光器腔长)可计算出，
当锁模激光器的腔长小于等于405微米的状态下才能达到100ghz以上的重复频率，同时，只有当可饱和吸收体62的长度占总腔长的14％
‑
20％时，被动锁模激光器才能实现可饱和吸收体62在无反向偏压状态下达到稳定亚皮秒锁模状态。
[0048]
如图2所示，本发明还提供了一种超高频光学频率梳量子点锁模激光器制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0049]
s1、将衬底1送入分子束外延生长腔中进行高温脱氧处理；
[0050]
s2、在经过高温脱氧后的衬底1上依次生长gaas n型接触层2、n型熔覆层3、inas量子点有源区4、p型熔覆层5和gaas p型接触层6，得到激光器样品；
[0051]
s3、对步骤s2中所得到的激光器样品进行脊型波导刻蚀；
[0052]
s4、在脊型波导刻蚀后的激光器样品上镀绝缘层并进行平坦化处理；
[0053]
s5、在gaas p型接触层6上蒸镀正电极7；
[0054]
s6、在可饱和吸收体与增益区之间进行电隔离刻蚀，以使可饱和吸收体占激光器样品总腔长度的14％
‑
20％；
[0055]
s7、减薄处理并在衬底1的下侧面蒸镀负电极8；
[0056]
s8、后期处理，如切割及封装。
[0057]
其中，当衬底1为半绝缘硅衬底时，分子束外延生长腔的温度为900
‑
1100℃；当衬底1为半绝缘gaas衬底时，分子束外延生长腔的温度为500
‑
650℃。
[0058]
其中，所述步骤s2的具体实现方式包括：
[0059]
s21、在经过高温脱氧后的衬底1上生长一层厚度为300nm的gaas n型接触层2，gaas n型接触层2载流子浓度为0.8
×
10
18
‑
1.2
×
10
18
cm
‑3，本实施例中，所述gaas n型接触层2载流子浓度为1
×
10
18
cm
‑3；
[0060]
s22、在gaas n型接触层2上生长由第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层所构成的n型熔覆层(3)，其中第一n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、n型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二n型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的厚度分别为20
‑
100nm、1
‑
1.5μm和10
‑
100nm，载流子浓度为1
×
10
17
‑
10
×
10
17
cm
‑3；本实施例中，所述n型熔覆层3由第一n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、n型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第二n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层所构成，其中，第一n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、n型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第二n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层的厚度分别为20nm、1.4μm和20nm，第一n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、n型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第二n型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层的载流子浓度均为6
×
10
17
cm
‑3；
[0061]
s23、在n型熔覆层3上生长8
‑
10个周期的高密度inas量子点有源区4，其中每个周期均按照以下生长步骤进行：首先生长厚度为35.5nm的gaas浸润层，然后沉积体积为3ml的inas量子点材料层，之后在inas量子点上沉积厚度为3.7nm的ingaas覆盖层，最后生长厚度为35.5nm的gaas间隔层，进而使得inas量子点有源区4的量子点密度不低于5.9
×
10
10
cm
‑2；
[0062]
s24、在inas量子点有源区4上生长由第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层构成的p型熔覆层(5)，其中第一p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层、p型al
x
ga1‑
x
as光限制层和第二p型al
x
ga1‑
x
as缓冲层的厚度分别为20nm、1.4μm和20nm，载流子浓度分别为4.0
×
10
17
‑
4.4
×
10
17
cm
‑3、6.5
×
10
17
‑
7.5
×
10
17
cm
‑3和1.2
×
10
19
‑
1.6
×
10
19
cm
‑3；本实施例中，所述p型熔覆层5由第一p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、p型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第二p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层构成，其中，第一p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、p型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第
二p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层的厚度分别为20nm、1.4μm和20nm，第一p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层、p型al
0.4
ga
0.6
as光限制层和第二p型al
0.2
ga
0.8
as缓冲层的载流子浓度分别为4.2
×
10
17
cm
‑3、7
×
10
17
cm
‑3和1.4
×
10
19
cm
‑3；
[0063]
s25、在p型熔覆层5上生长一层厚度为400nm的gaas p型接触层6，gaas p型接触层6载流子浓度为1.8
×
10
19
‑
2.2
×
10
19
cm
‑3；本实施例中，载流子浓度为2
×
10
19
cm
‑3。
[0064]
其中，所述步骤s3中，利用光刻技术或感应耦合离子刻蚀(inductive coupledplasma,icp)技术在激光器样品(即已经生长好的晶圆片)上进行脊型波导刻蚀，其刻蚀深度为1.5
‑
1.8μm。
[0065]
其中，所述步骤s4中，首先利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,pecvd)方法在激光器样品上镀绝缘层，绝缘层的厚度为150
‑
200nm，然后在绝缘层上进行图形处理和顶层开窗以暴露出脊型波导的gaas p型接触层6，最后进行平坦化处理。其中所述绝缘层材料为二氧化硅或二氧化氮，平坦化处理具体包括平坦化材料旋涂和平坦化刻蚀，以确保脊型波导上无材料残留。
[0066]
其中，所述步骤s6中，利用光刻或湿法刻蚀技术对gaas p型接触层6进行电隔离刻蚀以实现可饱和吸收体62与增益区61之间的长度比例为1:4
‑
1:6，确保可饱和吸收体62占总腔长的14％
‑
20％。
[0067]
其中，所述步骤s7中，首先将衬底1的厚度减薄至120
‑
200μm，然后利用电子束溅射或磁控溅射在衬底1的下侧面上蒸镀负电极8，最后进行快速褪火处理(rapid thermal annealing process,rtp)，褪火温度为700
‑
750℃，褪火时长为15
‑
60秒。其中，通过研磨机对衬底1进行厚度减薄处理以降低热效应对器件的影响，同时，通过快速褪火处理能够形成低电阻的欧姆接触。
[0068]
本实施例中，首先利用分子束外延生长腔在半绝缘的衬底1上依次生长一层gaas n型接触层2、n型熔覆层3、inas量子点有源区4、p型熔覆层5和gaas p型接触层6；然后对所生长的激光器进行脊型波导刻蚀、镀绝缘层及平坦化处理和蒸镀正电极7；之后利用光刻或湿法刻蚀技术将gaas p型接触层6进行电隔离刻蚀，使得可饱和吸收体62与增益区61之间的长度比为1:4
‑
1:6，确保了可饱和吸收体62占总腔长的14％
‑
20％，进而锁模激光器能够达到无电压条件稳定的亚皮秒锁模状态，有效降低了成本和消耗，并在操作上提供了极大的便利；最后，对该锁模激光器进行减薄处理和蒸镀负电极8，以及切割及封装，从而得到超高频光学频率梳量子点锁模激光器。所述超高频光学频率梳量子点锁模激光器具有低能耗、高效率、低成本、操作便捷和可规模生产的特点。
[0069]
需要说明的是，本发明是采用电子束溅射或磁控溅射分别将正电极7和负电极8蒸镀在增益区61上和衬底1的下侧面上。
[0070]
为了更好的理解本发明的工作原理和技术效果，下面通过本发明中的超高频光学频率梳量子点锁模激光器的光谱图和脉冲图进行说明。
[0071]
参考图3，图3示出了超高频光学频率梳量子点锁模激光器的光谱图，该光谱图是通过yokogawa公司的aq6370d光示波器进行测量而得，其中，横坐标为波长(wavelength[nm]),纵坐标为功率(power[dbm])。从图3中可知，中心波长为1295nm，相邻两个波长之间的间隔为0.56nm，通过公式：
[0072]
δf＝(δλ*c)/(λ1λ2)
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(1)
[0073]
式(1)中，δλ表示相邻两个波长的间隔，c表示光传播速度，λ1、λ2分别表示相邻的两个波长。
[0074]
由式(1)可以得出，0.56nm的波长间隔对应100ghz的重复频率，从而证实了本发明中的量子点锁模激光器可以产生高达100ghz重频率的光学频率梳。
[0075]
参考图4，图4示出了超高频光学频率梳量子点锁模激光器的脉冲图，该脉冲图是通过使用a.p.e公司的pulsecheck自相关仪测量而得，其中，横坐标为时间(delay[ps])，纵坐标为光脉冲强度(intensity[a.u.])，单个脉冲通过高斯函数曲线(gaussian)拟合可得出0.7ps的脉冲宽度，即说明本发明的量子点锁模激光器可以做为亚皮秒脉冲波输出光源。
[0076]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。