本发明涉及半导体光电子，具体涉及一种降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法。
背景技术：
1、为了满足大数据和高带宽光通信的互连需求，硅基光子集成电路(photonicintegrated circuits，pics)在密度、性能和稳定性方面不断提升。这些进步使得pics在各种应用中显示出广阔的前景，如广泛用于电信和数据中心互连等应用，量子通信和计算、用于数据中心互连的光收发器、光探测和测距(激光雷达，lidar)、陀螺仪和传感系统，并且在尺寸、重量、功耗和成本方面具有优势，量子点具有低维的半导体纳米结构，半导体量子点(quantum dot，qd)激光器是高性能光子器件的主要候选者，其具有低阈值电流密度、高温稳定性、接近零线宽增强因子(lef)和降低对光反馈的灵敏度等特性，是实现高性能光子器件的最佳解决方案之一。微波振荡器、光学陀螺仪和精密计量等许多应用对激光的噪声和整体系统稳定性具有严格要求。对于硅基片上qd激光器，由于硅材料与ⅲ-ⅴ族材料之间的晶格失配和热膨胀系数不同，直接在硅衬底上外延生长ⅲ-ⅴ族材料会产生大量的失配位错、微裂缝和反向畴缺陷，从而产生高位错密度，该位错在shockley-read-hall(srh)过程中作为非辐射复合中心，影响激光器性能，如导致激光器的阈值电流增大，噪声增大等，这些问题目前亟需解决。虽然qd离散分布的特点使其对于外延生长缺陷的容忍度要高于量子阱结构，从而在一定程度上能够降低位错缺陷对激光器的影响，但硅基片上qd仍具有比原生衬底的缺陷密度高至少两个数量级。
2、半导体激光器中的光噪声包括相对强度噪声和频率噪声，后者通常转化为谱线宽度，也就是硅基片上qd激光器的线宽。在现实中，即使没有施加电流调制，随机载流子和光子复合和产生事件也会在载流子和光子密度中产生瞬时时间变化。光子密度的变化导致输出功率大小的变化，从而产生本底噪声，载流子密度的变化导致输出波长的变化，从而为激光模式创造了有限的光谱线宽。
3、相对强度噪声主要源于自发发射和载流子噪声引起的固有光学相位和频率波动，它使得传输信号的信噪比降低，误码率增加，从而使高速通信系统的传输速率和带宽受到限制。在未来的光通信系统中，具有低相对强度噪声的光源可以实现低误码率传输数据。
4、虽然通过增加激光源的偏置电流可以实现低相对强度底噪，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相对强度噪声，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。通过不断改善激光器的生产工艺以及激光器的组成，如进行p掺杂等可以在一定程度上降低噪声，但同时也增加了操作复杂性和实现成本。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的问题，本发明提供一种降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法，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相对强度噪声，而且抑制了从激光器的激发态导致的基态噪声的增大，使得硅基片上qd激光器能够在很大的电流范围内保持很低的相对强度噪声，解决了现有技术中增加激光源的偏置电流降低能耗高、精确控制外部光学反馈强度降低操作难度大、改善激光器生产工艺的方式成本高的问题。
2、本发明提供的一种降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法，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相对强度噪声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相对强度噪声值，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，同时对从激光器的相对强度噪声进行计算，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相对强度噪声值，其计算方式如下：
6、双态硅基片上qd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，从激光器的相对强度噪声rin最终计算公式如下：
11、
12、其中，δsgs(ω)为频域中光子数变化，sgs为平均光子数。
13、本发明作进一步改进，在所述步骤1中，待优化的从激光器为需要被降低相对强度噪声的硅基片上qd激光器。
14、本发明作进一步改进，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、本发明作进一步改进，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相对强度噪声，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相对强度噪声的注入激光功率范围和注入激光波长范围。
16、本发明作进一步改进，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自由运行时的功率之比，频率失谐是主激光器和从激光器之间的频率偏移，通过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够调整注入比和频率失谐。
17、本发明作进一步改进，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相对强度噪声进行计算，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相对强度噪声值。
18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法，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相对强度噪声，而且抑制了从激光器的激发态导致的基态噪声的增大，使得硅基片上qd激光器能够在很大的电流范围内保持很低的相对强度噪声，相比于现有增加激光源的偏置电流的方式、精确控制外部光学反馈强度的方式和改善激光器生产工艺的方式，优化效果不仅更好，而且能耗低，操作更为简单，实现成本低，解决了现有技术中增加激光源的偏置电流降低相对强度噪声能耗高、精确控制外部光学反馈强度降低相对强度噪声操作难度大、改善激光器生产工艺的方式成本高的问题。
1.一种降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法，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相对强度噪声的硅基片上qd激光器。
3.根据权利要求2所述的降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法，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qd激光器相对强度噪声的方法，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相对强度噪声，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相对强度噪声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qd激光器相对强度噪声的方法，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比，频率失谐是主激光器和从激光器之间的频率偏移，通过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够调整注入比和频率失谐。
6.根据权利要求5所述的降低硅基片上qd激光器相对强度噪声的方法，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相对强度噪声进行计算，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相对强度噪声值。
