【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体光电子，具体涉及一种降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法。
技术介绍
1、近几十年，光电子学一直是现代信息社会发展的驱动力。随着5g、云计算和人工智能等技术的出现及人们对于更高网络速度的追求，信息量的激增给电信领域带来前所未有的挑战。微电子芯片遵循的“摩尔定律”指出：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。集成度的提高是以微细加工尺寸的不断缩小为基础的。然而缩小尺寸是有限度的，因此必须寻找新的出路来提高信息的速率和容量。硅基光电子芯片因为其成本低、所占空间小、能效高、集成密度高等特点正在迅速发展，被认为是下一代数据中心主流数据传输最具前景的解决方案。在新一代通信和计算需求的推动下，硅基光电子技术得到了长足的发展，并以光电子与微电子的深度交融为特征成为后摩尔时代的核心技术。
2、半导体激光器作为光通信系统的核心部件，对整个系统的性能起到了至关重要的作用。低成本、低功耗、高性能的小型半导体激光光源是新一代高速光通信网络的理想光源。零维的量子点(quantum dot,qd)材料具有能级离散分布的特点使得其对于位错缺陷不敏感，且qd激光器已被证实了具有低阈值电流密度、高温度工作特性、强抗反射性等特点，有望成为光子集成电路(photonic integrated circuits,pics)中最理想的光源。噪声特性是评估片上光源的重要指标，而且不仅对于pics，而且对于超级数据中心和城域数据链路中低成本数据传输的光发射机都迫切需要低噪声光源。
3、半导体激光器中的光
4、窄线宽激光器对于相干通信、自由空间光通信等应用很重要。数字相干技术也是光通信(包括数据中心和接入网络)的关键要素。原则上，相干系统能够检索光信号的幅度和相位信息，但代价是对发射器和本振的相位噪声较敏感。为了保持稳定的外差检测，需要窄线宽半导体激光器。半导体激光器必须强烈抑制放大的自发发射噪声，才能在这些应用中实现窄线宽操作。探究光学注入锁定操作对于硅基激光器线宽特性的影响，对于提升硅基qd激光器的性能具有重要意义。
5、虽然通过增加激光源的偏置电流可以实现降低相对强度底噪，但这会带来不必要的额外能耗。通过外部光学反馈虽然也可以降低线宽，但需要精确控制反馈强度，否则光反馈会导致激光不稳定，产生混沌、相干坍缩等状态，操作起来很麻烦。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，通过使用外部激光注入操作，调节主激光器的注入激光功率和注入激光波长，能够显著降低从激光器的线宽，而且抑制了从激光器的基态线宽在激发态阈值附近的跳变现象，同时抑制了两个能态的线宽再展宽现象，使得硅基片上半导体量子点激光器能够在很大的电流范围内保持窄线宽操作，解决了现有技术中增加激光源的偏置电流降低线宽能耗高、精确控制外部光学反馈强度降低线宽操作难度大的问题。
2、本专利技术提供的一种降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，包括：
3、步骤1，搭建光学注入锁定半导体激光器系统，择定主激光器和待优化的从激光器，采用电流泵浦源作为主激光器和从激光器的驱动源；
4、步骤2，计算从激光器的光学注入锁定区域范围，根据主激光器和从激光器的相关参数计算从激光器的光学注入锁定区域范围，即主激光器光学注入耦合降低从激光器线宽的注入激光功率范围和注入激光波长范围；
5、步骤3，获得从激光器的光学注入锁定区域范围内最优的线宽值，在不同偏置电流下调整主激光器的注入激光功率范围和注入激光波长范围，同时对从激光器的光谱线宽进行计算，最终得到不同偏置电流下反复调整主激光器的注入激光功率范围和注入激光波长范围能获得的从激光器的光学注入锁定区域范围内最优的线宽值，其计算方式如下：
6、双态硅基片上半导体量子点激光器电子结构简化后的三能级速率方程模型由二维载流子池rs和有源区内的量子点系综组成，有源区内包括两个能级，四重简并激发态es和二重简并基态gs，本模型假设有源区仅有一种量子点，不考虑由于点的尺寸不均匀而导致的增益分布的非均匀展宽，电子和空穴被认为是中性激子，外部载流子直接注入到二维载流子池rs中，载流子首先以时间从二维载流子池rs被捕获到激发态es，然后以弛豫时间从激发态es弛豫到基态gs，由于热效应，载流子以逃逸时间从基态gs热弛豫到激发态es，同样以逃逸时间从激发态es热弛豫到二维载流子池rs，该过程由准平衡态的费米分布决定，此外，载流子也会以自发辐射时间自发重组，各能级的非辐射复合由τsrh表示，模型同时包括了光学注入项sinj，建立如下描述载流子数nrs，es，gs、光子数ses，gs和电场相位φes，gs动力学的速率方程，
7、
8、式中，i为从激光器的电流泵浦源的偏置电流，q为电子电荷，γp为光学约束因子，υg为群速度，τp为光子寿命，βsp为自发辐射因子，为基态gs对线宽增强因子的贡献，为分别与激发态es和二维载流子池rs贡献相关的系数，frs，es，gs，为朗之万噪声，分别表示载流子、光子和相位噪声源，在进行光注入操作时，在式(2-4)至(2-7)中加入光学注入项，此时公式应写为，
9、
10、其中，sinj为主激光器注入光子数，定义rinj＝sinj/s0为注入比，s0为从激光器自由运行时光子数，δωinj为频率失谐量，定义为主激光器和从激光器之间的频率差，即δωinj＝ωmaster-ωslaυe，kc为主激光器和从激光器之间的耦合系数，定义为l为激光器腔长，r为腔面反射率，通过小信号分析，采用cramer法则，从激光器的线宽fn最终计算公式如下：
11、
12、其中，δφ(ω)为相位波动，通过公式，用低频fn来近似从激光器的本征线宽。
13、本专利技术作进一步改进，在所述步骤1中，待优化的从激光器为需要被降低线宽的硅基片上半导体量子点激光器。
14、本专利技术作进一步改进，在所述步骤1中，主激光器为具有窄光谱线宽的单模可调谐激光器。
15、本专利技术作进一步改进，在所述步骤2中，从激光器的相关参数包括输出功率范围、输出激光波长范围、光学参数和从激光器的线宽，主激光器的相关参数包括输出功率范围和输出激光波长范围，从激光器的光学注入锁定区域范围为主激光器光学注入后耦合降低从激光器线宽的注入激光功率范围和注入激光波长范围。
16、本专利技术作进一步改进，在所述步骤2中，主激光器的光耦合到从激光器中光学注入锁定激光器的动态特性取决于注入比和频率失谐，注入比为主激光器的功率与从激光器在同样偏置电流下本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤1中，待优化的从激光器为需要被降低线宽的硅基片上半导体量子点激光器。
3.根据权利要求2所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤1中，主激光器为具有窄光谱线宽的单模可调谐激光器。
4.根据权利要求3所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤2中，从激光器的相关参数包括输出功率范围、输出激光波长范围、光学参数和从激光器的线宽，主激光器的相关参数包括输出功率范围和输出激光波长范围，从激光器的光学注入锁定区域范围为主激光器光学注入后耦合降低从激光器线宽的注入激光功率范围和注入激光波长范围。
5.根据权利要求4所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤2中，主激光器的光耦合到从激光器中光学注入锁定激光器的动态特性取决于注入比和频率失谐，注入比为主激光器的功率与从激光器在同样偏置电流下自由运行时的功率之
6.根据权利要求5所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤3中，通过改变从激光器的电流泵浦源的偏置电流I，对不同偏置电流下的注入参数空间的光谱线宽进行计算，能够在从激光器的光学注入锁定区域范围内提取出最优的线宽值。
7.根据权利要求6所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤3中，在从激光器的光学注入锁定区域范围内提取出最优的线宽值的量级能够达到毫赫兹量级。
8.根据权利要求7所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤3中，低频FN即低频的频率噪声，也就是从激光器的本征线宽。
...【技术特征摘要】
1.一种降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤1中，待优化的从激光器为需要被降低线宽的硅基片上半导体量子点激光器。
3.根据权利要求2所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤1中，主激光器为具有窄光谱线宽的单模可调谐激光器。
4.根据权利要求3所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤2中，从激光器的相关参数包括输出功率范围、输出激光波长范围、光学参数和从激光器的线宽，主激光器的相关参数包括输出功率范围和输出激光波长范围，从激光器的光学注入锁定区域范围为主激光器光学注入后耦合降低从激光器线宽的注入激光功率范围和注入激光波长范围。
5.根据权利要求4所述的降低硅基片上半导体量子点激光器线宽的方法，其特征在于：在所述步骤2中，主激光器的光耦...
【专利技术属性】
技术研发人员：段嘉楠，褚琦，靳志勇，高爽，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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