五段式碰撞脉冲锁模量子阱激光器 本发明属一种半导体激光器，特别涉及一种超短光脉冲激光器。
半导体超短光脉冲在光纤通讯，遥测技术，光电子学，非线性光学，物理化学及生物学的超快过程研究等领域，都有广泛而重要的应用。目前产生半导体超短光脉冲的技术包括：Q开关，增益开关技术，锁模技术等，无论从理论还是实践上，重复频率最高和半宽最窄的脉冲都是由锁模技术得到的。锁模技术按照结构特点可分为外腔锁模和单片集成锁模；按照驱动机制分为主动锁模，被动锁模和混合锁模，从脉冲削窄的机制，可分为单程锁模和碰撞锁模。本发明是单片集成被动式碰撞脉冲锁模激光器，同时使用量子阱材料作为有源区，更有利于产生超短光脉冲。
与本发明最相接近的现有技术是三段被动式CPM激光器。可参见Y.K.CHEN和M.C.Wu等人发表的文章，载于《Appl.Phys.Lett，》Vol.58，pp1253-1255，1991。这种现有的半导体激光器的大体结构为：在竖直的两端解理面之间的生长面，即上表面，有条形结构。中间的的条形部分为限制有源区，两侧的条形为电流限制区。这三个条形结构自上表面向下延伸。限制有源区自下而上各层结构依次为：下欧姆接触层，衬底，下盖层，下限制层，量子阱有源区，上限制层，上盖层和上欧姆接触层。两个电流限制区的结构相同，自下而上：下欧姆接触层，衬底，半绝缘InP(Fe)，上接触层。这三个条形结构地下欧姆接触层，衬底，上欧姆接触层部分分别在同一平面上。条形限制有源区部分被光刻腐蚀为三段，中间段为可饱和吸收体，两端对称的两段为增益段，吸收体加反偏压，而增益段注入正向电流。
这种激光器特点在于将条形限制有源区横向隔离为三段，引入了可饱和吸收体，通过吸收体的吸收调整振荡模式位相相关。并且由于存在两个增益段，产生的两束脉冲在吸收体内碰撞而得到再次削窄。我们称这种激光器为三段式碰撞脉冲锁模激光器。具体结构参见现有技术引文中的图2。
这种现有三段式碰撞脉冲锁模激光器存在以下问题：由于单片集成锁模激光器一般腔长很长，在毫米量级，是通常激光器腔长的10倍，按目前的报道来看，MOCVD生长过程中这样大的材料均匀性还很难保证，再者由于光刻解理过程可能造成两个增益段长度不等而使脉冲不能在吸收体中心碰撞，达不到CPM激光器的基本要求。另外一个问题是，由于可饱和吸收体的引入，在CPM-LD的使用过程中，不可避免的有自脉动与锁模脉冲相伴而生，严重影响了锁模脉冲的特性。
本发明设计五段式碰撞脉冲锁模量子阱激光器，并在腔面蒸镀高反射膜，达到削窄脉冲并且克服自脉动的目的。
与现有的三段式碰撞脉冲锁模激光器相比，本发明是在可饱和吸收体与两侧增益段之间对称的引入两个”增益/吸收”调节段，并且在管芯两端解理面上蒸镀高反膜，同时反射率在50-60％之间。具体结构叙述如下：
垂直于管芯解理面的法向并沿外延生长方向为分层结构。平行于解理面法向从上表面向下至衬底分为三部分，中间条形部分为有源区。有源区两侧为半绝缘InP(Fe)电流限制区。条形有源区部分的结构为：在n型衬底上，依次为n型高导层，n型下限制层，量子阱有源区、P型上限制层、P型上盖层、P型高导层及P型接触层；有源区以外两侧部分为电流限制区，该区在衬底和上接触层之间的部分为SI∶InP(Fe)，与有源区不同。在衬底下面(即另一面)，是N型欧姆接触AuGeNi/Au，通过N型接触引出公共地端。自P型接触层向下经刻蚀将条形有源区横截成五段：两端靠近端面的部分作为增益段，中心的一段为可饱和吸收1体，在吸收体和增益段之间的两段为调节段。即所说的五段式结构依次为：增益段、调节段，吸收体、调节段、增益段。各段的表面即P型接触层上分别装有两增益段共有的一个电极——增益电流电极；两调节段各装有一个调节电极；吸收体上装有吸收体电极。在两端解理面镀有高反射率膜，两端反射率相等。
作为一个具体实施的例子，参见图一和图二。
图一是本发明的管芯外延层生长结构示意图。
图二是本发明的五段式结构的一种示意图
由图一所示的方向是管芯的端面正视图。中间的竖条为有源区的横截面，竖条以外的两侧为电流限制区，成分为半绝缘InP(Fe)；在有源区中，横向为激光器的分层结构。其中1为P型接触层，其上装有增益电流电极16，吸收体电极17和调节电极19。各电极分别被装在五段式的增益段11，15，可饱和吸收体段13和调节段12，14上。两端的增益电流电极16是连在一起构成一个电极的(参见图二)。图一中2为高导层，3为P型上盖层，4为P型上限制层，，5为量子阱有源区，量子阱有源区采用阱和垒各五个周期的结构，有源区9为条形结构。图一中有源区9是其横截面；吸收体电极17左右两条虚线的中间部分表示五段式的可饱和吸收体段13的一部分。调节段19左右两条虚线的中间部分表示五段式结构中调节段12和14的一部分。上述两段刻蚀后的深度和有源区9的深度均为自P型接触层1至量子阱有源区5的上表面。图一中7为N型下盖层，8为衬底，10为N型接触层。公共电极18装在N型接触层10上。
图二中，21和22为管芯两段解理面上蒸镀高反膜，垂直于高反膜21，22的水平平面为各分层结构(图二中未有表示出来)。图二主要给出五段式结构。有图二可见，限制有源区9被分为五段，自前而后分别为增益段11，调节段12，可饱和吸收体13，调节段14和增益段15。
本实施例所用材料及具体制备过程给出如下一种，可以以其它材料或制备方法进行。1，量子阱结构的制备
用MOVPE技术在n型InP衬底8上制备InGaAsP掩埋梯度导引分别限制异质结量子阱结构，其中，p型掺杂用掺Zn，n型掺杂用掺Se来实现.外延开始首先在衬底8上生长1.5μm厚的n型InP盖层7，具体生长过程分步实现，然后生长InGaAsP下限制层6，有源区5通常采用阱(1.55μm-InGaAsP)和垒(1.3μm-InGaAsP)五个周期.P型上限制层4及上盖层3的生长与下面的对称，上盖层为p型InP，最后生长p+-InGaAsP高导层2。2，条形结构的制备
首先在外延层上蒸发溅射一层Si3N4，然后用光刻气相腐蚀的办法，得到5μm宽的条形台，刻去部分至量子阱有源层5.然后用气相外延(VPE)技术生长半绝缘InP(Fe)，实现条形限制有源区9.3，碰撞脉冲锁模结构的制备
激光器结构完成以后，在接触层上蒸发AuZn/Au，获得P型欧姆接触，即P型接触层1.然后用光刻形成五段式结构，刻蚀InP的腐蚀液为CH3OH-Br2，刻蚀InGaAsP的腐蚀液为HCl∶HAc∶H2O2，刻蚀深度为至量子阱有源层，制备欧姆接触测量各段间的隔离电阻约为2-5KΩ.五段式结构是一可饱和吸收体13为中心的对称分布
各段长度的百分比可以是42-43∶4-5∶5-7。以2000μm的腔长为例增益段(11)(15)的长度为850μm，调节段(12)(14)长度为90μm，吸收体(13)长度为120μm。
按如上工艺过程制备的CPM结构外延片，经过减薄，层厚大200μm，然后衬底8蒸镀AuGeNi/Au制备n型欧姆接触。得到N型欧姆接触层10。4，蒸镀高反膜
蒸镀材质采用SiO2+ZrO2多层介质膜，按1.55μm波长，反射率设定在50％—60％。
在碰撞脉冲锁模量子阱激光器中，脉宽的削窄依靠两种机制，一是可饱和吸收体对脉冲前沿的吸收，二是由于碰撞脉冲产生的瞬间光栅效应，使脉冲的后沿得到散射。两束脉冲在吸收体内碰撞，是形成较强光栅的必要条件。然而①在InGaAsP量子阱材料的外延生长过程中，不可避免的产生材料的不均匀性②外延片的解理也可能也可能造成如图所示的11、15两段不等长，这两者的共同后果是脉冲碰撞时获得的增益不等，光强不等。造成瞬间光栅减弱。
这个问题可以通过改变注人12，14两段的电流来解决，这两段是彼此独立的，可分别注入电流。由于这两段12，14的长度远小于增益段11，15的长度，注入到12，14的电流密度有一个显著的调节范围。总可以找到一个合适的偏置条件以抵销不均匀性，获得最强的光栅效应，因而得到最窄脉冲。
蒸镀高反膜21，22可以克服因吸收体引入而产生自脉动的影响。自脉动的频率远低于锁模频率。采用蒸镀高反膜技术，增大腔内光子密度，降低阈值，能够抑制低频自脉动，使高频锁模得到加强。因而可以得到纯粹的锁模区。在实际蒸镀中可能引起的两腔面反射率的微小差别造成的新的不均匀性，可以通过调节段来消除。
如上所述，本激光器除具有一般被动锁模激光器的驱动简便，不必使用射频源即可获得超短光脉冲的特点外，还具有以下三个优点：①使用量子阱结构作为有源区，是理想的增益和吸收介质。②使用“增益/吸收”调节段可以消除不均匀性，确保证最强碰撞脉冲效应，最大限度的削窄脉宽。③高反膜可以抑制自脉动。减小脉动对锁模脉冲特性的影响。