一种混合集成混沌半导体激光器芯片及激光器

摘要

本发明实施例提供一种混合集成混沌半导体激光器芯片及激光器。所述激光器芯片包括第一芯片衬底，固定于所述第一芯片衬底的上表面且依次连接的第一激光器组件、无源光波导与第二激光器组件；所述第一激光器组件与所述第二激光器组件，均为DFB与SOA的集成芯片；第一激光器组件的SOA，用于控制互注入强度，并产生放大的自发辐射噪声，以对第一激光器组件的DFB与所述第二激光器组件的DFB产生的激光进行随机扰动；第二激光器组件的SOA，用于控制输出光功率的大小，或者调节注入光功率与反馈强度的大小。本发明实施例两个激光器的混沌互注入结构产生混沌光，实现混沌同步，结构简单，易于控制。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及激光器领域，尤其涉及一种混合集成混沌半导体激光器芯片及激光器。

背景技术

由于半导体激光器的混沌光信号具有独特的保密性和宽带特性，因此半导体激光器混沌同步系统在保密通信领域有着广泛的应用前景。混沌信号的产生主要有三种方式，外部光反馈、外部光注入和外部光电反馈，目前，研究人员已经对产生混沌信号的系统进行了比较全面的研究，但绝大部分混沌源都是靠分立器件搭建而成，体积大、结构复杂、易受外界环境的影响、输出不稳定。与离散器件组成的装置相比，集成芯片尺寸较小、成本较低、稳定性较好、适用于大批量生产。为了结合混沌应用和集成电路的优势，光子集成的混沌半导体激光器应运而成，因此国内外在这方面的研究进展如火如荼。

现有技术中的集成混沌芯片有多中实现方案。例如，一种光子集成混沌半导体激光器，采用掺饵无源光波导作为连续散射体构成连续分布式反馈腔，采用无隔离双向放大的半导体光放大芯片控制左右分布式反馈半导体激光芯片互注入的光功率大小和无源光波导对左分布式反馈半导体激光芯片的反馈强度，然而，该结构中掺杂无源光波导散射强度难以控制，随机散射体损耗较大，左、右分布式反馈半导体激光器芯片、无隔离双向放大器以及无源光波导之间的耦合导致的光学损耗较大。又如，一种随机散射光反馈的InP基单片集成混沌半导体激光器芯片，采用单片集成技术，左右DFB激光器提供信号源，通过左右无源光波导传输光信号，通过双向放大的半导体光放大器调节注入和反馈强度，采用掺杂无源光波导作为连续散射腔构成连续分布式反馈腔，但这种结构基于随机散射的单片集成结构，制作工艺复杂。

因此，急需一种工艺简单且能够产生优质混沌光的集成芯片。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种混合集成混沌半导体激光器芯片及激光器。

第一方面，本发明实施例提供一种混合集成混沌半导体激光器芯片，包括：

第一芯片衬底，固定于所述第一芯片衬底的上表面且依次连接的第一激光器组件、无源光波导与第二激光器组件；

所述第一激光器组件与所述第二激光器组件，均为分布式反馈激光器DFB与半导体放大器SOA的集成芯片；

所述第一激光器组件的SOA，用于控制互注入强度，并产生放大的自发辐射噪声，以对所述第一激光器组件的DFB与所述第二激光器组件的DFB产生的激光进行随机扰动；

所述第二激光器组件的SOA，用于控制输出光功率的大小，或者调节注入光功率与反馈强度的大小。

第二方面，本发明实施例提供一种激光器，包括本发明实施例第一方面及其任一可选实施例所述的混合集成混沌半导体激光器芯片。

本发明实施例提供的混合集成混沌半导体激光器芯片，采用第一激光器组件与第二激光器组件两个激光器的混沌互注入结构产生混沌光，实现混沌同步，结构简单，易于控制。第一激光器组件的SOA放大区可控制互注入强度，SOA放大区产生的放大的自发辐射噪声可对两个DFB激光器产生的激光进行随机扰动；根据DFB和SOA位置的不同，第二激光器组件的SOA放大区可控制输出光功率的大小或调节注入光功率与反馈强度的大小；混合集成的结构具有体积小、重量轻、成本低、集成性强、制作工艺简单、输出稳定的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例混合集成混沌半导体激光器芯片结构示意图；

图2为本发明实施例激光器组件生长示意图。

附图标记说明

1、第一芯片衬底， 3、无源光波导，

2-1、第一激光器组件， 2-2、第二激光器组件，

21、N⁺电极层，22、第二芯片衬底，

23、下限制层，24、有源层，

25、上限值层，251、分布反馈Bragg光栅，

26、波导层，27、P⁺电极层，

28、隔离沟。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

图1为本发明实施例混合集成混沌半导体激光器芯片结构示意图，如图1所示的混合集成混沌半导体激光器芯片，包括：

第一芯片衬底1，固定于所述第一芯片衬底1的上表面且依次连接的第一激光器组件2-1、无源光波导3与第二激光器组件2-2；

所述第一激光器组件2-1与所述第二激光器组件2-2，均为分布式反馈激光器DFB与半导体放大器SOA的集成芯片；

所述第一激光器组件2-1的SOA，用于控制互注入强度，并产生放大的自发辐射噪声，以对所述第一激光器组件2-1的DFB与所述第二激光器组件2-2的DFB产生的激光进行随机扰动；

所述第二激光器组件2-2的SOA，用于控制输出光功率的大小，或者调节注入光功率与反馈强度的大小。

请参考图1，本发明实施例的混合集成混沌半导体激光器芯片包括两个激光器，即第一激光器组件2-1与第二激光器组件2-2，每个激光器均为DFB+SOA的集成芯片；无源光波导3的输入端连接第一激光器组件2-1，输出端连接第二激光器组件2-2。第一激光器组件和第二激光器组件的DFB为整个激光器芯片提供光信号，光信号最终从第二激光器组件的外侧输出。第一激光器组件中的SOA放大区通过控制互注入强度，对光信号进行双向放大，同时SOA中的放大的自发辐射噪声可为DFB产生的光信号提供随机光反馈。第一激光器组件中的SOA放大区，由于位置可调整，在不同的位置实现的功能不一样，例如可控制控制输出光功率的大小，或者可调节注入光功率与反馈强度的大小，具体的，可以根据实际生产应用的需求进行设置，本发明实施例对此不作限定。

本发明实施例的混合集成混沌半导体激光器芯片，采用两个激光器的混沌互注入结构产生混沌光，实现混沌同步，结构简单，易于控制。第一激光器组件的SOA放大区可控制互注入强度，SOA放大区产生的放大的自发辐射噪声可对两个DFB激光器产生的激光进行随机扰动；根据DFB和SOA位置的不同，第二激光器组件的SOA放大区可控制输出光功率的大小或调节注入光功率与反馈强度的大小；混合集成的结构具有体积小、重量轻、成本低、集成性强、制作工艺简单、输出稳定的优点。

基于上述实施例，所述第一激光器组件2-1包括左侧DFB区和右侧SOA区；

所述第二激光器组件2-2包括左侧DFB区和右侧SOA区，或者包括左侧SOA区和右侧DFB区；

所述第一激光器组件2-1与所述第二激光器组件2-2中的DFB区和SOA区的集成芯片结构一致或对称，通过相同的工艺制作而成。

需要说明的是，本发明实施例的第二激光器组件的左侧为DFB区，右侧为SOA区。

本发明实施例的第二激光器组件最终进行光信号输出，其DFB区和SOA区的位置可以互换，即可以左侧为DFB区，右侧为SOA区，也可以左侧为SOA区，右侧为DFB区。若SOA区在右侧，则可控制输出光功率的大小；若SOA区在左侧，则可调节注入光功率与反馈强度的大小。

若第二激光器组件的SOA区在右侧，则第二激光器组件与第一激光器组件的结构完全一致；若第二激光器组件的SOA区在左侧，则第二激光器组件与第一激光器组件的结构完全对称。第一激光器组件2-1与第二激光器组件2-2的制作工艺也完全相同，通过相同的工艺制作而成。

本发明实施例的激光器芯片中DFB区与SOA区一起生长可避免耦合损耗，性能更加稳定，采用混合集成结构降低了工艺复杂度，制作简单，稳定性高。

基于上述实施例，所述第一激光器组件2-1与所述第二激光器组件2-2之间存在参数失配，使得所述第一激光器组件2-1与所述第二激光器组件2-2的输出光波长的频率差为10～15GHz，输出功率偏差低于70％。

本发明实施例中，由于第一激光器组件2-1与第二激光器组件2-2之间存在参数失配，故可以有效抑制左第一激光器组件2-1与第二激光器组件2-2互注入时发生的锁定同步效应。

图2为本发明实施例激光器组件生长示意图，基于上述实施例，所述分布式反馈激光器DFB与半导体放大器SOA的集成芯片，具体包括：

第二芯片衬底22；

制作于所述第二芯片衬底22的第一表面的下限制层23；

制作于所述下限制层23上的有源层24；

制作于所述有源层24上的上限制层25，所述上限制层25的左侧区域或右侧区域制作有分布反馈Bragg光栅层251，其中，制作有分布反馈Bragg光栅层的区域为DFB区，未制作分布反馈Bragg光栅层的区域为SOA区；

制作于所述上限制层25上的中间位置的波导层26，所述波导层26为条状；

制作于所述波导层26上的P⁺电极层27，所述P⁺电极层27通过隔离沟28分为两段，分别对应DFB区和SOA区；

制作于所述第二芯片衬底22的第二表面的N⁺电极层21，其中，所述第二表面为与所述第一表面相对的表面。

请参考图2，DFB与SOA的集成芯片从下至上依次包括N⁺电极层21、第二芯片衬底22、下限制层23、有源层24、上限制层25、波导层26和P⁺电极层27。其中，上限制层25部分制作有分布反馈Bragg光栅层251，制作有分布反馈Bragg光栅层的区域为DFB区，如图2中左侧虚线所示的DFB，未制作分布反馈Bragg光栅层的区域为SOA区，如图2中右侧虚线所示的SOA。其中，P⁺电极层27为条状，长度与集成芯片的长度相同，宽度较集成芯片窄，位于集成芯片的宽度的中间位置，且通过隔离沟28分为两段，分别对应DFB区和SOA区，从而，P⁺电极层27分为DFB区P⁺电极层和SOA区P⁺电极层；其中隔离沟28是通过注入He⁺或者材料刻蚀等方式使之成为高阻区，从而实现各电极之间的电隔离。

可选的，所述DFB区的长度范围为400～600μm，所述SOA区的长度范围为100～300μm。优选的，所述DFB区的长度为500μm，所述SOA区的长度为200μm。

基于上述实施例，所述DFB区的分布反馈Bragg光栅的材料为InP和InGaAsP，为整个芯片提供光信号；所述SOA区为InGaAs材料和/或InGaAsP材料的双异质结多量子阱结构，用于双向放大光信号，SOA放大区中产生的放大的自发辐射噪声可提供随机光反馈。

本实施例中混合集成混沌半导体激光器芯片的两个激光器的DFB区和SOA区的长度范围及材料结构，均相同，第二激光器组件中的SOA位置不同并不影响整体工艺。所述混合集成混沌半导体激光器芯片的无源光波导的长度范围为5～15mm，优选的长度为10mm，材料为Si基SiO₂波导，用于传输光信号。

基于上述实施例，所述第一芯片衬底1的下表面设置有第一热调谐基底和第二热调谐基底；

所述第一热调谐基底的位置与所述第一激光器组件2-1的位置相对应；所述第二热调谐基底的位置与所述第二激光器组件2-2的位置相对应。

本实施例中第一热调谐基底和第二热调谐基底在图1中并未画出。第一芯片衬底1的两个表面，称为上表面和下表面，其中上表面规定有第一激光器组件2-1、第二激光器组件2-2与无源光波导，下表面设置有第一热调谐基底和第二热调谐基底。请参考图1，第一热调谐基底设置在第一芯片衬底1的下表面、与第一激光器组件2-1相对的位置，第二热调谐基底设置在第一芯片衬底1的下表面、与第二激光器组件2-2相对的位置。通过设置热调谐基底，可分别控制第一激光器组件2-1、第二激光器组件2-2的输出波长，实现DFB激光器的波长与输出功率的独立控制，例如，通过第一热调谐基底控制第一激光器组件2-1中DFB产生的光信号的波长和输出功率，通过第二热调谐基底控制第二激光器组件2-2中DFB产生的光信号的波长和输出功率，从而实现对两个激光器的独立控制。

基于上述实施例，所述第一激光器组件2-1与所述无源光波导3的连接表面设置有折射率匹配胶层，所述第二激光器组件2-2与所述无源光波导3的连接表面设置有折射率匹配胶层。

具体的，折射率匹配胶层应均匀的设置于两相对表面处。第一激光器组件2-1与无源光波导3的连接表面的折射率匹配胶层，用于连接第一激光器组件2-1与所述无源光波导3；第二激光器组件2-2与无源光波导3的连接表面的折射率匹配胶层，用于连接第二激光器组件2-2与所述无源光波导3；同时折射率匹配胶层可减少不同材料芯片耦合时光的反射损耗，提高光学耦合效率。

基于上述实施例，所述第一激光器组件2-1与所述第二激光器组件2-2，均通过倒装贴片技术固定于所述第一芯片衬底1的上表面。

具体的，第一激光器组件2-1采用倒装贴片技术固定于芯片衬底上表面，第二激光器组件2-2采用倒装贴片技术固定于芯片衬底上表面。

本发明实施例采用两个激光器混沌互注入结构产生混沌，可实现混沌同步，结构简单，易于控制，参数多重可调。第一激光器组件中的SOA放大区可控制互注入强度，SOA放大区产生的放大的自发辐射噪声可对两个激光器产生的激光进行随机扰动；第二激光器组件中的SOA若在右侧，则SOA放大区可控制输出光功率的大小；若DFB与SOA位置互换后，即SOA在左侧，则SOA放大区用于调节注入光功率与反馈强度的大小；DFB激光器区与SOA放大区一起生长可避免耦合损耗，性能更加稳定；采用热调谐基底可分别控制左右两个分布式激光器的输出波长，实现DFB激光器的波长与输出功率的独立控制。在工艺上，折射率匹配胶可大大减小不同芯片混合集成时的耦合损耗，提高光学耦合效率；采用混合集成结构降低了工艺复杂度，制作简单，稳定性高。本发明实施例的混合集成混沌半导体激光器芯片，其混合集成的结构具有体积小、重量轻、成本低、集成性强、制作工艺简单、输出稳定的优点。

本发明实施例还提供一种激光器，包括本发明实施例及其任一可选实施例所述的混合集成混沌半导体激光器芯片。

需要说明的是，任何包含有本发明上述实施例及其任一可选实施例所述的混合集成混沌半导体激光器芯片的设备，都在本发明实施例的保护范围内。

最后应说明的是：以上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精神和范围。