基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片制造技术

本发明专利技术涉及集成混沌激光器，具体是基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片。本发明专利技术有效解决了现有混沌激光源体积大，混沌信号带有时延特征、带宽窄的问题。基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片由：左分布式反馈半导体激光器，双向放大的半导体光放大器SOA，随机分布布拉格反射光栅部分，右分布式反馈半导体激光器四部分组成。具体包括：N

InP based monolithic integrated chaotic semiconductor laser chip based on random distribution of Prague reflection gratings

The invention relates to integrated chaotic laser, which is based on a InP based monolithic integrated chaotic semiconductor laser chip based on a random distribution of Prague reflection gratings. The present invention effectively solves the problem of the large volume of the existing chaotic laser source, the time delay feature and the narrow band of the chaotic signal. InP based monolithic integrated chaotic semiconductor laser chip randomly distributed Prague reflection gratings based on a semiconductor laser left distributed feedback semiconductor optical amplifier SOA, bidirectional amplification, random distribution Prague reflection grating, right distributed feedback semiconductor laser is composed of four parts. Specifically included: N

【技术实现步骤摘要】
基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片
本专利技术涉及集成混沌激光器，具体是基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片。
技术介绍
近年来，混沌激光是光通信产业的热门话题之一，混沌激光在保密通信、混沌激光雷达、高速随机数产生、分布式光纤传感以及混沌超宽带脉冲(UWB)信号产生等领域的应用快速发展，显示出重要的应用价值。混沌激光是半导体激光器输出不稳定性的一种特殊形式，目前混沌激光源都是在实验室利用半导体激光器加上各种外部分立光学元件搭建而成的具有体积庞大，易受环境影响、输出不稳定的特点。为了更好地应用混沌激光，国内外的研究者们希望研究出体积小、性能稳定的集成混沌激光器芯片。目前集成混沌激光器芯片的研究已经取得了一些成果，国际上2008年希腊雅典大学Argyris等人研制了单片集成混沌半导体激光器芯片（ArgyrisA,HamacherM,ChlouverakisKE,etal.Photonicintegrateddeviceforchaosapplicationsincommunications[J].Physicalreviewletters,2008,100(19):194101.），2010年12月，意大利帕维亚大学Annovazzi-Lodi等人、西班牙巴利阿里群岛大学Mirasso等人和德国海因里希-赫兹研究院弗劳恩霍夫电信研究所Hamacher研制了带有空气隙的双反馈光子集成混沌半导体激光器（TronciuVZ,MirassoCR,ColetP,etal.Chaosgenerationandsynchronizationusinganintegratedsourcewithanairgap[J].IEEEJournalofQuantumElectronics,2010,46(12):1840-1846.），2011年日本NTT公司Sunada等人和琦玉大学Uchida联合研制了基于无源环形波导光反馈结构的新型混沌半导体激光器芯片（HarayamaT,SunadaS,YoshimuraK,etal.Fastnondeterministicrandom-bitgenerationusingon-chipchaoslasers[J].PhysicalReviewA,2011,83(3):031803.），2017年日本埼玉大学AndreasKarsaklianDalBosco等人、早稻田大学TakahisaHarayama和NTT公司的MasanobuInubushi研制出一种短腔光子集成电路（DalBoscoAK,OharaS,SatoN,etal.Dynamicsversusfeedbackdelaytimeinphotonicintegratedcircuits:Mappingtheshortcavityregime[J].IEEEPhotonicsJournal,2017,9(2):1-12.）；国内，2013年西南大学夏光琼课题组与中科院半导体材料科学重点实验室合作研制了单片集成半导体激光器芯片用于产生混沌激光（WuJG,ZhaoLJ,WuZM,etal.Directgenerationofbroadbandchaosbyamonolithicintegratedsemiconductorlaserchip[J].Opticsexpress,2013,21(20):23358-23364.）。目前，所研制出的单片集成混沌激光器芯片产生混沌激光的方式均采用了时延光反馈结构。值得注意的是，目前所制作出的混沌激光器，无论是单反馈腔和多反馈腔其反馈腔长都是固定值。固定的反馈腔长使产生的混沌信号携带时延特征信号，也即是说使混沌信号带有周期，这对混沌激光在保密通信、高速随机数产生等领域的应用是非常不利的。为了消除时延特征，2011年太原理工大学提出利用合适的散射体作为半导体激光器的连续反馈腔，为半导体激光器提供连续后向散射并放大，对半导体激光器造成随机扰动。此方法使反馈腔长不再是固定值，以此消除混沌激光器所产生的时延特征（见专利：一种光反馈混沌激光器，专利号：ZL201110198943.6）。然而，该混沌激光器是利用外部分立光学元件搭建而成的，体积大、易受环境影响、输出不稳定。2012年大连理工大学公开一种光注入型混沌光子集成器件及其制备方法（见专利：一种光注入型混沌光子集成器件，专利号：ZL201210349951.0），其特点是利用主分布式反馈半导体激光器产生连续光，经双向放大的半导体光放大器SOA放大后由无源光波导传输，最后注入从分布式反馈半导体激光器，使从分布式反馈半导体激光器产生混沌激光。然而，这种单注入型结构极易产生注入锁定，且单注入产生的混沌激光带宽窄、频谱不平坦、输出不稳定，而且往往包含两个激光器的拍频信息，会使混沌激光的频谱出现典型的拍频振荡成份（WangAB,WangYC,WangJF.Routetobroadbandchaosinachaoticlaserdiodesubjecttoopticalinjection[J].Opticsletters,2009,34(8):1144-1146.）。2014年太原理工大学提出无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器（见专利：无时延、频谱平坦、宽带光子集成混沌半导体激光器，专利号：ZL201410435033.9），该混沌激光器为混合集成混沌激光器。其特点为左、右分布式反馈半导体激光芯片可以实现光互注入过程，利用掺铒的无源光波导给左、右分布式反馈半导体激光芯片提供随机光反馈扰动，互注入结合随机光反馈扰动两个过程使左分布式反馈半导体激光芯片产生输出无时延、频谱平坦、宽带的混沌激光。虽然该结构可以解决以上的问题，但是左、右分布式反馈半导体激光芯片发出的连续光在光波导中的耦合效率较低，这是该混合集成混沌激光器的难点。2017年，太原理工大学通过实验证明了利用啁啾光纤光栅可以抑制混沌信号的时延特征（WangDM,WangLS,ZhaoT,GaoH,WangYC,ChenXF,WangAB.TimedelaysignatureeliminationofchaosinasemiconductorlaserbydispersivefeedbackfromachirpedFBG[J].OpticsExpress,2017,25(10):10911-10924.），但是啁啾光纤光栅的反射频率具有一定的周期或规律，且该实验是利用分立器件搭建而成的。基于此，本专利技术提出一种基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，单片集成结构体积小、性能稳定。本专利技术采用互注入和随机光反馈两种扰动过程同时进行，最终可以产生无时延宽带的混沌激光信号。单片集成结构避免了混合集成混沌激光器所存在的光与光波导的耦合效率较低的难题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有半导体激光器所产生的混沌激光带有时延特征、信号带宽窄等问题，提供了一种基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片。本专利技术是采用如下技术方案实现的：基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于：包括如下结构：一N型衬底（6）；一InGaAsP下限制层（7），外延生长在N型衬底（6）上；一无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（8），外延生长在InGaAsP下限制层（7）上；一InGaAsP上限制层（11），外延生长在无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（8）上；一P型重掺杂InP盖层（12），为条状，外延生长在InGaAsP上限制层（11）中间；一P型重掺杂InGaAs接触层（13），外延生长在P型重掺杂InP盖层（12）上；一P

【技术特征摘要】
1.基于随机分布布拉格反射光栅的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，其特征在于：包括如下结构：一N型衬底（6）；一InGaAsP下限制层（7），外延生长在N型衬底（6）上；一无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（8），外延生长在InGaAsP下限制层（7）上；一InGaAsP上限制层（11），外延生长在无掺杂InGaAsP多量子阱有源区层（8）上；一P型重掺杂InP盖层（12），为条状，外延生长在InGaAsP上限制层（11）中间；一P型重掺杂InGaAs接触层（13），外延生长在P型重掺杂InP盖层（12）上；一P+电极层（14），制作在P型重掺杂InGaAs接触层（13）上，P+电极层（14）由左向右开有三个隔离沟（16）将其分为四段，一N+电极层（5），制作在N型衬底（6）的背面；所述激光器芯片由左向右对应于P+电极层的四段部分，分为如下四段：左分布式反馈半导体激光器（1）、双向放大的半导体光放大器SOA（2）、随机分布布拉格反射光栅部分（3）、右分布式反馈半导体激光器（4）；随机分布布拉格反射光栅部分（3）中利用相位掩膜法刻有随机分布布拉格反射光栅层（9）；InGaAsP上限制层（11）上在对应于左、右分布式反馈半导体激光器的区域均刻蚀有分布反馈Bragg光栅（10）。2.根据权利要求1所述的基于随机分布布拉格反...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明江，王安帮，牛亚楠，张建忠，赵彤，乔丽君，刘毅，王云才，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14