混合半導體－電介質線性調頻飽和吸收平面鏡的製作方法

2023-07-09 20:10:56 2

專利名稱：混合半導體－電介質線性調頻飽和吸收平面鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及到飽和吸收元件，更確切地說是涉及到既採用半導體又採用介電層的這種元件。
超快固體雷射器的鎖模元件基本上依賴於半導體飽和吸收器。超快雷射器產生寬度為皮秒到亞10飛秒範圍的脈衝。這種脈衝可以應用於高速數據處理、通信、光譜、以及更新近一些的非線性頻率轉換之類的領域。
藉助於將飽和吸收器置於雷射共振腔內部或耦合於雷射共振腔的外部光學共振腔中，能夠獲得無源波模鎖定。飽和吸收器呈現吸收對入射輻射強度的依賴性；它們對於強度高於飽和強度的入射輻射是透明的。作為這一性質的結果，飽和吸收器吸收弱的入射輻射，因而支持(在雷射器中)對應鎖模區域的高強度模式。
布拉格半導體飽和吸收器平面鏡的帶寬約為60nm@850nm(見論文」Mode-Locking Ultrafast Solid-State Lasers with Saturable BraggReflectors」,IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,Vol.2 #3,September 1996)，遠低於產生亞10飛秒脈衝所需的最小值200nm@800nm。藉助於由背面塗敷有銀層的半導體布拉格反射器組成的混合結構，能夠獲得這一所需的帶寬(見論文「SemiconductorSaturable Absorber Mirrors(SESAMs)for Femtosecond toNanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers」,IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics,Vol.2#3,September 1996)。在諸如高質量共振腔雷射器或使用低晶粒媒質的固體雷射器之類的許多應用中，無法容忍銀層引入的損耗。由於在塗敷銀層之前必須對GaAs襯底進行腐蝕，故製造這種混合結構涉及到明顯的技術麻煩。利用電介質平面鏡的經驗，人們可以期望藉助於對層的厚度進行線性調頻即調製，能夠容易地提高半導體多層的帶寬(見論文」Chirped MultilayerCoatings for Broadband Dispersion Control in Femtosecond Lasers」，Optics Letters,Vol.19#4,February 1994)。然而，一方面由於折射率之間的比率小，另一方面由於空氣界面處的反射率(大約30％)能夠在不存在有效的AR塗層的情況下導致Gires-Tournois幹涉效應，故線性調頻平面鏡技術不是用半導體材料(例如AlAs/AlGaAs)來直接實現。已經演示了帶寬為10THz的由120個半導體層和6層電介質抗反射塗層組成的線性調頻平面鏡(見論文「Double-ChirpedSemiconductor Mirror for Dispersion Compensation in FemtosecondLasers」,paper CtuR5,Conference on Lasers and Electrooptics,May23-28,Baltimore,MD,USA)。但這是比較窄的帶寬，而對用於鎖模雷射器的較寬帶寬的飽和布拉格反射器有需求。本發明用來滿足這一需求。
本發明提供了一種適合於用來對雷射器進行鎖模的寬帶飽和布拉格反射器，以便提供能夠被用於寬帶波長的亞飛秒或更長的脈衝。
根據本發明的飽和布拉格反射器，最好包含含有三個部分的單片集成多層疊層。第一部分用作適合於支持其它部分的襯底。第二部分包含由諸如AlxGa1-xAs的折射率比較高的材料和諸如AlAs的折射率比較低的材料交替組成的多個半導體層。這些層被外延生長在襯底上，且沿襯底改變厚度和X的數值。通常，隨著離疊層頂部的距離，層的厚度增大，而X數值減小。改變克分子濃度X的主要目的是增強光譜帶寬；除了有助於帶寬增強，改變層的厚度還提供了控制器件引入的群延遲色散(GDD)的方法。特別是，為了引入負的GDD，相繼各個層的厚度從襯底處的所需波段上邊沿的大約四分之一波長的厚度，被減小到所需波段下邊沿的大約四分之一波長的厚度。最通常的是，例如，為了儘可能最小化不期望的共振，或為了優化色散特性，這些改變最好不是單調的。
根據本發明的能夠增大有效帶寬並得到平滑的GDD特性的個別零件是對疊層增加第三部分，用來部分地反射光譜的較短波長部分，並使第二部分的阻抗匹配於長波長環境的阻抗。在一個實施例中，平面鏡由GaAs襯底上的AlxGa1-xAs和AlAs交替組成的82個半導體層以及由諸如二氧化矽的折射率比較低的材料和諸如氮化矽的折射率比較高的材料交替組成的等時線介電層組成。


圖1示出了根據本發明的混合半導體-電介質線性調頻飽和吸收器平面鏡的簡化示意圖。
圖2示出了介電平滑邊沿濾波器(在GaAs襯底上)的反射率和最終結構的反射率。
圖3示出了圖1的混合平面鏡的一個反彈引入的群延遲色散。
圖4示出了採用圖1的平面鏡的雷射器系統。
現參照附圖，圖1示出了適合於用作容納用來提供鎖模雷射的雷射媒質的光學共振腔中的端部平面鏡的飽和吸收布拉格反射器10的基本元件。
它包含由三個基本部分組成的單片集成多層疊層。第一部分12是襯底，最好是單晶砷化鎵。第二部分14包含由通常已經用某種形式的分子束外延方法外延生長在襯底12上的AlxGa1-xAs層14A和AlAs層14B交替組成的多層疊層。第三部分16是最好由氮化矽和二氧化矽交替組成的用作平滑邊沿濾波器的介電層多層疊層。
限制半導體疊層(部分14)帶寬的內在因素之一，是AlxGa1-xAs的折射率與AlAs折射率之間的比率的中間值。降低化合物AlxGa1-xAs的克分子份數，可以提高這一比率的數值，但也使材料的吸收邊偏移到紅外。在用來引入負的GDD的線性調頻平面鏡中，波包的滲透深度隨波長減小而減小另一方面，Ga份數大的AlxGa1-xAs在光譜的短波長邊沿處呈現更強的吸收。因此，在引入負GDD的平面鏡中，AlxGa1-xAs層的Ga濃度能夠從頂層到襯底增大而不會減弱疊層的反射。
此外，為了提供飽和吸收，在高強度光學信號區域中的半導體部分的頂層內，通常在低折射率層中，包括有一個或多個量子阱17。或者，如1999年7月21日提出的共同未決申請09/352112(Cunning-hamKnox 41-39)所述，將量子阱置於八分之一波長厚度的成對低折射率層之間的四分之一厚度的高折射率層中是有利的。飽和強度由量子阱的位置和第二部分提供的介電邊沿濾波器的透射率二者決定，量子阱在疊層中位置越高，飽和強度越低。介電邊沿濾波器的光譜反射率對飽和吸收的光譜分布提供了一些控制。
在圖2中，曲線20示出了作為GaAs襯底的介電平滑邊沿濾波器的反射率，而曲線21示出了上述示例性疊層結構的整個結構的反射率。
在圖3中，示出了示例性疊層結構的一個反彈引入的群延遲色散24。
在圖4中，示出了Q開關雷射器系統30的基本元件，它包括作為光學共振腔的一個端部平面鏡的圖1所示種類的飽和布拉格反射器10，在光學共振腔中放置雷射媒質31，通常可能是本技術領域眾所周知類型的光學激勵的固體棒。部分透射的平面鏡32用作光學共振腔的另一個端部，有用的雷射脈衝從此端部輸出。通常可以包括在系統中以提供聚焦和雷射器運行波長控制的各種其它的元件被略去了。
在用於長波長雷射器中的飽和反射器中，在半導體層組成的疊層頂部處包括奇數數目的具有足夠位錯的半波長應力釋放層，以便反射性地用作非輻射複合源，並以這種方式安置量子阱，可能是有利的。在1997年12月23日發布的題為」Saturable Bragg Reflector Structureand Process for Fabricating the Same」的美國專利5701327中，更充分地描述了這一特點。
在與本申請同時提出並具有相同的受讓人的共同未決申請中，涉及到四元組合物的各層用數字合金調製方法製作。
在與本申請同時提出並包括共同受讓人的申請中，描述了藉助於澱積作為二元化合物平面的各個層，用來製作具有變化的X的四元組合物的各個層的數字合金調製工藝。
應該理解的是，所述的飽和布拉格反射器的具體實施例僅僅是本發明一般原理的說明。各種其它的半導體或電介質可以代替所述的具體半導體或電介質。
權利要求
1．一種用來對雷射進行鎖模的光學器件，它包含含有至少第一和第二部分的單片集成疊層，第一部分包含用於第二部分的襯底，第二部分包含外延生長在襯底上的多個半導體層，各個層由折射率比較低的半導體材料層和折射率比較高的半導體材料層交替地組成，折射率比較低高的層的折射率隨離襯底的距離的增加而改變，且層的厚度隨離襯底的距離而增大，以便獲得器件的規定反射特性或同時獲得所希望的反射特性和所希望的群延遲色散特性。
2．權利要求1的光學器件，其中的單片集成疊層包括第三部分，此第三部分包含多個用來形成平滑邊沿濾波器的介電層，各個層的厚度隨離襯底的距離而變化，以便獲得器件的規定反射特性或同時獲得所希望的反射特性和所希望的群延遲色散特性。
3．權利要求1的光學器件，其中各個層的厚度通常平均說來隨離襯底的距離的增大而減小。
4．權利要求1的光學器件，其中折射率比較低的層的折射率通常隨離襯底的距離而減小。
5．權利要求3的光學器件，其中折射率比較低的層的折射率通常隨離襯底的距離而減小。
6．權利要求3的光學器件，其中的疊層包括多個其厚度隨沿疊層的距離的增大而增大的介電層，用來形成平滑邊沿濾波器，以便使第二部分的阻抗與平面鏡光譜的高反射波段的長波長部分的環境中的阻抗相匹配，並部分地反射所述光譜的短波長光譜區。
7．權利要求1的光學器件，其中折射率比較高的半導體層是AlxGa1-xAs，而折射率比較低的半導體層是AlAs。
8．權利要求7的光學器件，其中X的數值隨離襯底的距離的增大而減小。
9．權利要求8的光學器件，其中的單片集成疊層包括含有介電平滑邊沿濾波器的第三部分。
10．權利要求9的光學器件，其中的介電平滑邊沿濾波器包含多個由高折射率和低折射率交替組成的介電層。
11．權利要求1的光學器件，其中在多個半導體層中已經插入了至少一個量子阱，以便提供飽和吸收。
12．權利要求2的光學器件，其中在多個半導體層中已經插入了至少一個量子阱，以便提供飽和吸收。
13．權利要求5的光學器件，其中在多個半導體層中已經插入了至少一個量子阱，以便提供飽和吸收。
14．權利要求6的光學器件，其中在半導體層中已經插入了至少一個量子阱，以便提供飽和吸收。
15．權利要求10的光學器件，其中在半導體層中已經插入了至少一個量子阱，以便提供飽和吸收。
16．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求1的光學器件。
17．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求5的光學器件。
18．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求6的光學器件。
19．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求7的光學器件。
20．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求9的光學器件。
21．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求11的光學器件。
22．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求12的光學器件。
23．一種鎖模雷射器系統，它包含含有一對相向的平面鏡的光學共振腔，以及位於光學共振腔中的雷射媒質，其特徵是平面鏡中的一個是根據權利要求13的光學器件。
24．根據權利要求10的鎖模雷射器，其中的介電層是氧化矽和氮化矽。
全文摘要
利用由多層半導體疊層11和多層介電疊層12組成的混合結構10,在寬的帶寬上提供了高反射率、飽和吸收和規定的群延遲色散(GDD)。半導體層和介電層二者的厚度變化,且層厚度調製被用來提供所希望的色散和帶寬。此外,相似於控制帶寬和色散,半導體層的折射率沿疊層被改變。反射器被用作Q開關,以便對雷射器進行鎖模或Q轉換。
文檔編號H01S3/06GK1311550SQ0110831
公開日2001年9月5日 申請日期2001年2月27日 優先權日2000年2月29日
發明者佛倫克·克勞茲, 韋恩·哈維·克諾克斯, 加百利·弗羅林·壇培爾 申請人:朗迅科技公司