專利名稱：被動式飽和箝位輸出光強連續(xù)可調的碲鎘汞光限幅器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及被動式半導體光學限幅器，具體是指可實現對大功率激光器的輸出光強連續(xù)可調和飽和箝位的碲鎘汞(HgCdTe)光限幅器。
背景技術：
光學限幅器件具有在較低的入射光強下，其輸出強度隨入射光強呈線性關系變化，而在較高的入射光強下其輸出光強箝位在一個固定飽和值的特點。隨著大功率可調諧脈沖激光器技術的不斷發(fā)展，為保護精密光學器件和人眼免受其損傷，迫切需要有與之相適應的光學限幅器。同時，光限幅器也是光學穩(wěn)幅和光學通信領域的重要應用光學元件之一。光限幅器有主動式和被動式之分，相對于主動式光限幅器，被動式光限幅器因只涉及到一束入射光就可實現光強調制，因此這種限幅器被證明是一種更有效的限幅方式。被動式限制光強可調光限幅器不僅能夠滿足對輸出光強進行限制，而且可通過對材料的雙光子吸收的人為調控而對輸出光強進行調制，具有很快的響應速度，因此可以在簡化儀器結構的同時，提高能量的利用率和系統(tǒng)的信噪比，為儀器的小型化、輕量化和增強器件功能提供有效的技術途徑。
傳統(tǒng)的被動式光限幅器有二種結構1)基于改變吸收體積的限幅結構基于改變雙光子吸收體積的限幅結構是實現輸出光強可調的最典型的限幅器，該限幅器結構為一個具有大的雙光子吸收系數的半導體材料，入射光正入射在限幅器表面，通過調節(jié)吸收層的厚度而改變雙光子吸收。但由于雙光子吸收是效率很低的非線性吸收過程，且與光吸收材料相互作用的長度成線性關系，因此若實現其對光強的調節(jié)必須要有很長的吸收長度，而從器件的實際應用角度來看，簡單靠提高雙光子吸收長度來實現光強調節(jié)和輸出飽和并不是一種有效可行的方案。
2)基于光學諧振腔與雙光子吸收材料結合結構這種結構是將雙光子吸收材料放在光學諧振腔中間，通過光束在諧振腔中的振蕩來改變光束在雙光子吸收材料中的吸收等效長度，以此提高雙光子吸收的效率。其中，光學諧振腔由F-P諧振腔組成。這種方法雖然有效地增加了材料的雙光子吸收長度，但其輸出光強仍然保持在固定值而沒有滿足其輸出光強連續(xù)可調的特性。

發(fā)明內容
基于上述光限幅器由于結構上存在的問題，而限制了它們的實際應用。本發(fā)明的目的是要提出一種可對大功率激光器的輸出光強連續(xù)可調和飽和箝位的HgCdTe限幅器。
本發(fā)明的技術方案是將HgCdTe光電二極管置于光學諧振腔中間作為吸收層，通過人為調控HgCdTe光電二極管的反向電壓而實現對入射激光的飽和箝位和光強連續(xù)可調。
本發(fā)明的HgCdTe光學限幅器包括一對分布布拉格反射鏡形成的F-P光學諧振腔和置于F-P光學諧振腔中間的作為吸收層的HgCdTe光電二極管及施加于HgCdTe光電二極管的直流穩(wěn)壓電源。
所說的分布布拉格反射鏡的兩相對鏡面上鍍有(HL)m或(LH)m介質膜，其中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，m為高、低折射率膜層交替疊層的次數，膜層光學厚度為λ0/4。反射鏡襯底材料為Ge或Si，高折射率膜層為PbTe或Ge材料，低折射率膜層為ZnSe或SiO材料。
本發(fā)明的HgCdTe光學限幅器的工作原理是通過調節(jié)施加在HgCdTe光電二極管上的電壓可輕易改變其p-n結空間電荷區(qū)的電場強度。p-n結本身可在空間電荷區(qū)形成強電場，當對p-n結施加反向偏壓時，反向偏壓將與空間電荷區(qū)的內建電場疊加，當施加的反向偏壓使該區(qū)域的電場強度達到足夠強時，能帶發(fā)生較大傾斜，對于電子而言相當于材料的有效帶隙減小，即Franz-Keldysh效應出現，這導致空間電荷區(qū)的雙光子吸收系數發(fā)生明顯變化，外偏壓越強能帶將越傾斜，材料的有效帶隙變化越大，相應的雙光子吸收變化越明顯。而結區(qū)外由于場強很弱，能帶基本不發(fā)生變化，所以雙光子吸收系數沒有發(fā)生變化。通過調節(jié)外偏壓就可以人為調控空間電荷區(qū)的雙光子吸收。由于HgCdTe光電二極管是放在光學諧振腔中，通過光束在諧振腔中的來回振蕩可保證雙光子吸收長度，從而提高雙光子吸收的效率，實現在一定范圍內對大功率激光器的飽和箝位輸出光強精確連續(xù)可調。這也正是本發(fā)明的光學限幅器較傳統(tǒng)光學限幅器的最大優(yōu)勢所在。此類光學限幅器件可在光學通信、保護人眼和光學器件免受大功率激光損傷、抑制輸出激光噪聲等方面具有廣泛應用前景。


圖1為本發(fā)明的HgCdTe光學限幅器的結構示意圖。
圖2本發(fā)明的HgCdTe光學限幅器的吸收層p-n結內電場強度與雙光子吸收系數的關系圖。
具體實施例方式
下面以入射波長7920nm為設計波長，結合附圖對本發(fā)明的光學限幅器的具體實施方式
作詳細說明本發(fā)明的HgCdTe光學限幅器的諧振腔1由一對分布布拉格反射鏡2組成，兩相對鏡面上鍍有(HL)m或(LH)m介質膜3，反射鏡襯底材料為Ge，H為高折射率膜層SiO，L為低折射率膜層PbTe，其折射率分別為2.35和5.55，m為高、低折射率膜層交替疊層的次數，m＝2，膜層光學厚度為λ0/4，諧振腔長為7.92mm。將HgCdTe光電二極管4放在諧振腔中，并使光電二極管的p-n結中的空間電荷區(qū)5為諧振腔中心位置，以使光限幅達到最好效果。對7920nm入射波長，此諧振腔結構透射光線寬為2.3nm，中心波長為7920nm，見圖1。
HgCdTe光電二極管4作為光吸收材料是限幅器的關鍵部分，它是一種窄禁帶半導體材料，光吸收主要發(fā)生在紅外波段，可通過調節(jié)Cd組分得到近、中、遠紅外波段的光限幅吸收。對應本例，使入射基頻光子能量為HgCdTe帶隙的60％，則相應的Cd組分為0.305。制備方法是采用分子束外延方法生長在以GaAs為襯底的CdTe緩沖層上，形成p型外延層，在其表面注入硼離子，形成n+型突變n+-p結，再在其表面淀積CdTe鈍化層，以盡量降低表面復合。為滿足大功率脈沖激光光束的限幅，n+-p結的有效面積應大于激光光斑直徑，此處取為2×2cm。
HgCdTe光電二極管的電極引出導線經負載電阻6與直流穩(wěn)壓電源7聯接，負載電阻對HgCdTe光電二極管起保護作用，外加穩(wěn)壓直流電源對n+-p結形成反向偏壓方式。因n+-p結處于反偏時相對負載電阻輸入阻抗很大，可認為直流電源輸出外電壓全部加在空間電荷區(qū)，通過控制外偏壓，可以改變施加在n+-p結上的電場強度，當電場強度使材料的能帶傾斜到一定程度時，Franz-Keldysh效應的出現對材料的有效帶隙進行調制，入射光子相對于材料的有效帶隙發(fā)生變化，實現了對材料的二階吸收系數的人為調控，光限幅器的輸出光強相應發(fā)生變化。F-P諧振腔使吸收材料對入射光的吸收效率增強。
在設計的過程中，由于光學吸收損耗材料n+-p結可承受的擊穿電壓有限，過強的外偏壓將導致n+-p結的擊穿，大的反向電流使空間電荷區(qū)的場強不再增強，因此過大反向偏壓無法再對輸出光強進行人為調控。因此，在此例中根據擊穿電場強度，外偏壓最大不應該超過-1V，此時在n+-p結處的電場強度已大于30kV/cm，雙光子吸收系數已相對零偏壓條件下增加了7倍。所以采用本發(fā)明，可以使得光限幅器的限幅能力調諧5倍左右。
權利要求
1.一種被動式飽和箝位輸出光強連續(xù)可調的碲鎘汞光限幅器，包括一對分布布拉格反射鏡(2)形成的F-P光學諧振腔(1)，其特征在于在F-P光學諧振腔中間置有HgCdTe光電二極管(4)，作為入射激光的吸收層，及施加于HgCdTe光電二極管(4)的直流穩(wěn)壓電源(7)；所說的分布布拉格反射鏡的兩相對鏡面上鍍有(HL)m或(LH)m介質膜，其中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，m為高、低折射率膜層交替疊層的次數，m≥2，膜層光學厚度為λ0/4，襯底材料為Ge或Si，高折射率膜層為PbTe或Ge材料，低折射率膜層為ZnSe或SiO材料。
2.根據權利要求1的一種被動式飽和箝位輸出光強連續(xù)可調的碲鎘汞光限幅器，其特征在于所說的HgCdTe光電二極管(4)是n+型突變n+-p結光電二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種被動式飽和箝位輸出光強連續(xù)可調的碲鎘汞光限幅器，該光學限幅器包括一對分布布拉格反射鏡形成的F－P光學諧振腔和置于F－P光學諧振腔中間的作為吸收層的HgCdTe光電二極管及施加于HgCdTe光電二極管的直流穩(wěn)壓電源。本發(fā)明的優(yōu)點是1.由于吸收層采用HgCdTe光電二極管，通過控制施加于HgCdTe光電二極管的反向偏壓來達到雙光子吸收系數的人為調控；通過F－P光學諧振腔來增大雙光子吸收材料的等效吸收長度，從而實現在一定范圍內對大功率激光器的輸出光強精確連續(xù)可調和飽和箝位。2.由于吸收波長可通過HgCdTe材料中Cd組分來調節(jié)，因此，這種光學限幅器可以在整個紅外光學波段都能實現光學限幅要求。
文檔編號H01S3/08GK1996685SQ20061014806
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權日2006年12月27日
發(fā)明者陸衛(wèi), 崔昊楊, 李志鋒, 李寧, 甄紅樓, 張波, 陳平平, 李天信, 陳效雙 申請人:中國科學院上海技術物理研究所