基于晶体管激光器光反馈结构的宽带混沌激光产生装置的制作方法

1.本发明涉及半导体光电子领域，特别是涉及一种基于晶体管激光器光反馈结构的混沌激光产生装置。


背景技术：

2.混沌激光具有内在随机性、初值敏感性、低相干性、宽频谱等特性。近年来，混沌激光在保密光通信、超宽带技术、激光雷达、光纤网络故障检测、分布式光纤传感等领域都具有重要的应用价值。目前半导体激光器产生混沌的方法包括光反馈、光注入与光电反馈。
3.二极管结构半导体激光器凭借功耗低、寿命长、易集成等优势，成为目前混沌激光产生的首选光源。然而，二极管激光器的弛豫振荡频率只有数ghz，且能量主要集中于弛豫振荡频率附近，导致所产生的混沌激光带宽窄，频谱不平坦，极大地限制了混沌激光的实际应用(ieee journal on selected topics in quantum electronics,21(6):531-540,2015)。
4.针对以上问题研究者们提出了多种方法用于提升混沌激光的带宽，2003年，日本琦玉大学uchida等人将外部光反馈产生的混沌激光注入另一个半导体激光器，此时驰豫振荡频率仅为6.4ghz的半导体激光器产生混沌激光的带宽提升至22ghz(optics express,2010,18(6):5512-24)；2008年，太原理工大学王安帮等人提出将连续光注入外腔光反馈的半导体激光器，通过控制频率失谐量和光注入强度，混沌信号的带宽从6.2ghz增强至16.8ghz(ieee photonics technology letters,2008,20(19):1633-1635)；2011年，张明江等人通过双波长外光注入外腔光反馈的fabry
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rot激光器，得到80％带宽为32.3ghz的宽带混沌激光(ieee photonics technology letters,2011,23(24):1872-1874)，但以上方案需要光电探测器来实现对于混沌信号时序及频谱的检测，但光电探测器易受静电击穿导致损坏，从而极大的影响混沌激光产生装置的稳定性以及成本；并且以上方案均是基于二极管激光器，借助复杂的扰动系统提升混沌激光带宽和平坦度，且频谱带宽有限。
5.晶体管激光器是一种同时具有晶体管的电流控制功能以及激光器的光发射功能的晶体管。晶体管激光器利用一个电信号输入(例如基极电流)可以同时获得一个电信号输出(集电极电流)及一个光信号输出。基于该功能特性，使其在光通信及光信号处理等领域有着重要的潜在应用价值。


技术实现要素：

6.本发明克服现有基于二极管激光器光反馈结构的产生的混沌激光频谱带宽窄的问题，提供了一种基于晶体管激光器光反馈结构的混沌激光产生装置，利用晶体管激光器高带宽、低驰豫振荡峰的特征，来产生带宽超宽，平坦度好的宽度混沌激光信号。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于晶体管激光器光反馈结构的宽带混沌激光产生装置，包括：晶体管激光器、光环行器、分光器、衰减控制器、偏振控制器；
8.其中，晶体管激光器的激光输出端与光环行器的第一端口连接，光环行器的第二端口与分光器的输出端连接；分光器将光束分为两路，一路用于输出混沌激光，另一路与衰减控制器的输入端连接，衰减控制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光环行器的第三端口连接；
9.所述晶体管激光器采用共发射极工作模式，发射极电极接地，基极电极接入一个电流源作为晶体管激光器的驱动电流，集电极电极接入一个电压源作为集电极-发射极电压源。
10.所述晶体管激光器包括依次设置在集电极电极层、集电区材料层、基区缓冲层和基区材料层，所述基区材料层上远离基区缓冲层的一面设置有不相连的基极电极层和电流限制层，所述电流限制层上依次设置有量子阱材料层、上限制层、发射区材料层和发射极电极层。
11.发射区材料层采用n掺杂的inp材料；上限制层采用ingaasp材料；量子阱材料层采用ingaasp/inp材料；电流限制层采用n掺杂inp和p掺杂inp材料形成pn结，基区材料层采用p掺杂ingaasp材料；基区缓冲层采用ingaasp材料；集电区材料层采用n掺杂inp材料。
12.所述电流限制层分两区设置，基极电极层设置在电流限制层两侧。
13.所述分光器为1
×
2光纤耦合器。
14.所述偏振控制器用于控制光的偏振状态。
15.所述晶体管激光器的集电极电流输出端与示波器与频谱仪进行连接，用于输出混沌光信号的时序及频谱。
16.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
17.1、本发明采用三端口结构的晶体管激光器代替二极管激光器产生混沌激光，突破激光器内部弛豫振荡的限制。提供了一种全新的频谱平坦宽带混沌激光产生装置。
18.2、通过理论推导验证，本发明可以产生带宽超过50ghz，平坦度小于3.5db的宽带混沌激光，采用传统方法难以实现上述指标。
19.3、本发明利用晶体管激光器本身的集电极电流输出来监测本发明装置输出混沌光信号的时序以及频谱，不需要外接光电探测器，有效减少了装置的结构复杂程度。
20.4、本发明采用三端口结构的晶体管激光器，克服现有基于二极管激光器光反馈结构的产生的混沌激光频谱带宽窄的问题，其结构简单，稳定性高并且成本低廉，具有很好的推广应用价值，适用于混沌同步与保密光通信、高速随机数密钥生成、激光雷达、光纤网络故障检测、超宽带技术以及分布式光纤传感等领域。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的一种基于晶体管激光器光反馈结构的宽带混沌激光产生装置的结构示意图；
22.图中：1-晶体管激光器、2-光环行器、3-分光器、4-衰减器、5-偏振控制器。
23.图2为本发明实施例提供的一种晶体管激光器的界面结构示意图；
24.图3为图2的俯视图，其中去掉了基极电极层上方的发射极电极，发射区材料层，上限制层和量子阱材料层；
25.图4为本发明实施例中晶体管激光器中的载流子分布示意图。
26.图中：6-发射极电极、7-发射区材料层、8-上限制层、9-量子阱材料层、10-电流限制层、11-基极电极层、12-基区材料层、13-基区缓冲层、14-集电区材料层、15-集电极电极。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
28.实施例一
29.如图1所示，本发明实施例一提供了基于晶体管激光器光反馈结构的宽带混沌激光产生装置，包括：晶体管激光器1、光环行器2、分光器3、衰减控制器4、偏振控制器5；其中，晶体管激光器1的激光输出端与光环行器2的第一端口连接，光环行器2的第二端口与分光器3的输出端连接；分光器3将光束分为两路，一路用于输出混沌激光，另一路与衰减控制器4的输入端连接，衰减控制器4的输出端与偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端与光环行器2的第三端口连接。
30.此外，本实施例中，所述晶体管激光器1采用npn型晶体管结构。
31.所述晶体管激光器1采用共发射极工作模式，发射极电极接地，基极电极接入一个电流源作为晶体管激光器的驱动电流，集电极电极接入一个电压源作为集电极-发射极电压源，电流源和电压源可以控制晶体管激光器的线宽展宽因子、基区载流子自发辐射寿命等晶体管激光器内部参数。当晶体管激光器的集电结反偏时，基区中少数载流子呈倾斜分布，如图4所示，其中，ec：导带；ev：价带；ie：发射极电流；ic：集电极电流；ib：基极电流；e：电子；h：空穴；hv：光子；qw：量子阱；n-emitter：n型掺杂的发射区；p-base：p型掺杂的基区；n-collector：n型掺杂的集电区。其中部分少数载流子被量子阱材料层所捕获，并在量子阱材料层中发生受激辐射复合，在激光输出端发出连续激光。余下的少数载流子在抵达基区-集电区边界时，由于基区与集电区材料掺杂不同，发生了载流子扩散作用，形成了扩散电流，即晶体管激光器集电极输出端产生的集电极电流。而光信号是基区中的少数载流子在基区发生受激辐射而产生的。集电极电流和输出的激光信号都是来自于基区中的少数载流子的动态变化，所以这两个信号在示波器以及频谱仪上的变化趋势可以说是基本相同，所以可以集电极电流来反应表征监测混沌光信号的时序与频谱，监测其工作状态。因为产生混沌激光以及产生集电极电流本质上都是基区中的少数载流子分布所相关的，所以晶体管激光器的集电极电流能够反映出晶体管激光器混沌激光器的输出特性，从而集电极电流输出端的混沌电信号可以用于监测本实施例的混沌激光产生装置输出的混沌激光输出特性。由于基区中的少数载流子倾斜分布，所以基区载流子自发辐射复合寿命仅为ps量级，远小于传统二极管激光器ns量级的载流子自发辐射复合寿命，能够有效抑制弛豫振荡的影响，大幅度提高直接调制带宽，从而获得高调制带宽、低弛豫振荡峰的连续激光。
32.具体实施时，分光器3可以为1
×
2光纤耦合器，晶体管激光器1的激光输出端输出连续激光经过光环行器2进入1
×
2光纤耦合器；1
×
2光纤耦合器将光束分为两路，一路用于输出混沌激光，另一路进入衰减控制器4，利用衰减控制4精准控制反馈强度，使得输出混沌激光的频谱进一步展宽，接着进入偏振控制器5，用于控制偏振状态，最终经过光环行器2返
回晶体管激光器1中形成光反馈回路。晶体管激光器1输出的连续激光在光纤环路中循环振荡，最终产生宽带的混沌激光。同时由晶体管激光器1的集电极电流输出端输出混沌电信号接入示波器以及频谱仪用于监测本发明装置的混沌激光输出特性。
33.实施例二
34.本发明实施例二提供了基于晶体管激光器光反馈结构的宽带混沌激光产生装置，与实施例一相同的是，其包括：晶体管激光器1、光环行器2、分光器3、衰减控制器4、偏振控制器5；其中，晶体管激光器1的激光输出端与光环行器2的第一端口连接，光环行器2的第二端口与分光器3的输出端连接；分光器3将光束分为两路，一路用于输出混沌激光，另一路与衰减控制器4的输入端连接，衰减控制器4的输出端与偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端与光环行器2的第三端口连接；所述晶体管激光器1采用共发射极工作模式，发射极电极接地，基极电极接入一个电流源作为晶体管激光器的驱动电流，集电极电极接入一个电压源作为集电极-发射极电压源。
35.与实施例一不同的是，本实施例中，所述晶体管激光器1包括依次设置在集电极电极层15、集电区材料层14、基区缓冲层13和基区材料层12，所述基区材料层12上远离基区缓冲层13的一面设置有不相连的基极电极层11和电流限制层10，所述电流限制层10上依次设置有量子阱材料层9、上限制层8、发射区材料层7和发射极电极层6。
36.具体地，发射区材料层7采用n掺杂的inp材料；上限制层8采用ingaasp材料；量子阱材料层9采用ingaasp/inp材料；电流限制层10采用n掺杂inp和p掺杂inp材料形成pn结，基区材料层12采用p掺杂ingaasp材料；基区缓冲层13采用ingaasp材料；集电区材料层14采用n掺杂inp材料。
37.其中，发射区材料层为n掺杂，基区材料层为p掺杂，集电区材料层为n掺杂，因此，其包括由下至上依次设置的n型材料层，p型材料层，量子阱层、n型材料层。量子阱层设置在p型材料层上方，相对现有结构中量子阱层设置在p型材料层中间的结构，能降低p掺杂对于量子阱的污染。
38.具体地，本实施例中，量子阱材料层9、上限制层8、发射区材料层7和发射极电极层6相对于芯片表面凸起形成脊波导，基极电极层11设置在电流限制层10外侧。电流限制层10的作用是使从发射极注入的载流子只从电流限制通道中通过，从而减少表面非辐射复合中心的影响，所以本实施例中在脊波导的两侧各设置了一块电流限制层10，如图2～3所示，此外，两个基极电极层11也可以在电流限制层10外侧环形设置连接在一起。
39.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。