本发明属于激光技术、激光雷达技术、三五族半导体技术以及量子阱材料生长技术等，尤其涉及一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片。
背景技术：
1、激光雷达技术被广泛应用于自动驾驶、智能制造和环境监测等各个领域。作为激光雷达的基本组成部分，迫切需要一种高脉冲重复频率、小尺寸和低成本的眼睛安全脉冲激光器。首先，1.5 μm波长对人眼相对安全，且在大气中也有更好的传输性能。同时，更高的脉冲重复频率意味着每秒发射更多的激光脉冲，使系统能够快速获取和处理数据，生成更高分辨率的3d点云图像。这对于需要实时环境感知的自动驾驶等应用尤为重要。调q激光器通过周期性地调制谐振腔内的损耗来产生高重复率的短脉冲，是实现具有上述特性的脉冲激光器的一种简单可靠的方法。然而，主流的光泵浦固态调q激光器由于较大的体积和较低的光光转换效率，难以实现超高的脉冲重复频率。如一种被报道的1553 nm er:yb:yab微片激光器的重复频率为544 khz，脉冲持续时间为8.3 ns，能量为3.9μj [s. zha, y. chen,b. li, y. lin, high-repetition-rate 1.5 µm passively q-switched er:yb:yal3(bo3)4microchip laser, chin opt lett 19(7) (2021) 071402.]。
技术实现思路
1、考虑目前现有技术存在的缺陷和不足，为了实现超高脉冲重复频率和短脉冲宽度，本发明采用选择被动调q技术。考虑谐振腔越短，腔内光的往返时间越短，因此脉冲重复频率越高，为了尽可能缩短腔长。同时也会影响脉冲持续时间，较短的谐振腔会导致较短的脉冲持续时间。因此，本发明设计的基础采用了微米级的三五族半导体激光器芯片。
2、本发明的目的在于实现一种高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，能够有效满足小型化、集成化和高效能的应用需求。针对传统固态激光器和光纤激光器在体积、复杂度和能效上的局限性，本发明通过采用半导体量子阱材料作为增益介质，利用波导布拉格光栅构成谐振腔，结合两端镀膜设计来控制脉冲输出强度。以电流注入作为泵浦源，量子阱的反向偏置吸收作为可饱和吸收体，形成紧凑的芯片化结构，显著缩短谐振腔长度，从而实现超高重复频率和亚纳秒脉宽的可调谐调q脉冲输出。本发明能够提供ghz级别的脉冲重复频率，并达到人眼安全的脉冲激光器雷达的光源标准，显著优于传统技术，特别是在小型化和高效能方面。本发明在突破传统方案局限性的同时，展现了极佳的应用前景和商业价值，尤其适用于小型化的人眼安全激光雷达系统。
3、其具体采用以下技术方案：
4、一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片：采用被动调q的半导体激光器结构，以电流注入作为泵浦源，包括增益部分（104）和可饱和吸收体部分（102）；以三五族量子阱（107）作为增益介质；所述增益部分（104）为dfb激光器并集成有布拉格光栅作为谐振腔用于选择激射波长；所述可饱和吸收体部分（102）采用反向偏置的多量子阱结构用于脉冲调制。
5、进一步地，增益部分（104）和可饱和吸收体部分（102）之间设置有电隔离段（103）。
6、进一步地，出光面设置有部分反射膜（105），用于控制脉冲输出强度和激光能量分布；另一端面设置有高反射膜（101），用于减少后向损耗。
7、进一步地，采用in(1-x)ga(x)as(y)p(1-y)四元化合物作为增益介质；所述布拉格光栅采用inp波导布拉格光栅。
8、进一步地，芯片的外延结构包括n型inp衬底层（1）、n型模式扩展波导层（2）、非掺杂下限制层（3）、势垒层（4）、量子阱层（5）、非掺杂上限制层（6）、p型刻蚀停止层（7）、p型缓冲层（8）、p型光栅层（9）、p型包层（10）、p型能带过渡层（11）以及p型欧姆接触层（12）。
9、进一步地，所述n型inp衬底层（1）掺入浓度为1-3×10^18 cm-3的硅，n型模式扩展波导层（2）的厚度在3-5μm之间，且掺入浓度为0.5-2×10^17 cm-3的硅。
10、进一步地，所述p型光栅层（9）的厚度为0或不为0，其中为0的部分对应法布里-珀罗谐振腔，不为0的部分对应dfb激光器。
11、进一步地，所述布拉格光栅的设计过程中，光栅周期根据布拉格方程确定；布拉格光栅的反射系数通过耦合模理论计算；通过调整布拉格光栅的周期和光栅耦合系数，以实现不同波长的调q激光器阵列输出。
12、进一步地，通过计算光场分布的重叠积分，以优化布拉格光栅的耦合系数。
13、进一步地，在dfb激光器中，通过在布拉格光栅的中间位置引入π相移结构，实现单纵模的稳定输出。
14、相比于现有技术，本发明及其优选方案首先提供了以下突出设计点，进一步提高了系统的性能和集成度：
15、1.增益部分： 使用dfb（分布反馈激光器）技术进行增益，该技术能够通过半导体量子阱材料有效提升激光器的增益效率。
16、2.可饱和吸收部分： 可饱和吸收体由多量子阱反向偏置结构构成，通过调节反向偏置电压来实现频率调谐，从而输出重复频率范围在1.05 ghz至1.85 ghz的高频脉冲序列。
17、3.选模部分： 通过在增益部分集成inp（磷化铟）波导布拉格光栅，优化谐振腔的模式选择，确保高稳定性的脉冲输出。
18、4.优化脉冲功率： 通过设计光端面的镀膜透过率，进一步提升了脉冲的峰值功率和整体输出效率。
19、主要有益效果体现在：
20、1.高集成度： 基于inp半导体工艺平台，本发明首次在单个芯片上实现了dfb增益、布拉格光栅选模以及可饱和吸收体的单片集成。这种集成化设计显著缩短了谐振腔长度，使得激光器的重复频率最高可达1.85 ghz，是目前市场上最为紧凑高效的片上调q脉冲激光器。
21、2.可调谐性： 本发明采用pn结反向偏置作为可饱和吸收体，与传统的sesam（半导体可饱和吸收镜）不同。通过调节偏置电压，可以实现可调的饱和阈值和调制深度，从而提供可调谐的脉冲重复频率。这一创新突破了传统调q激光器的频率调谐限制。
22、3.波长调谐能力： 通过在布拉格光栅中集成波长选择功能，能够根据不同的应用需求调整布拉格光栅的周期，从而实现不同波长的调q脉冲激光器阵列，极大地提升了系统的灵活性和适用性。
23、4.节能和高效： 本发明设计的激光器不仅体积小、集成度高，还具备低功耗、高效率的特点，特别适用于对能效要求较高的应用场景，如小型化的激光雷达系统。
24、本发明通过创新性的集成设计和精细化的谐振腔优化，实现了超高重复频率、亚纳秒脉宽、可调谐的调q脉冲激光输出，在小型化激光雷达、自动驾驶、环境监测等领域具有广泛的应用前景。特别适用于对体积、功耗和效率要求较高的场景，如人眼安全脉冲激光雷达系统。这种激光器有望在智能驾驶、自动化制造、地形测绘和环境监测等领域中广泛应用，特别是作为激光雷达光源，展现出极大的应用潜力。
25、其优选方案当中，通过采用半导体量子阱材料作为增益介质，inp波导布拉格光栅作为谐振腔，两端镀膜控制脉冲输出强度，电流注入作为泵浦源，量子阱的反向偏置吸收作为可饱和吸收体，以及紧凑的芯片化结构缩短谐振腔长度等一系列结构设计。能够实现ghz重复频率和亚纳秒脉宽的可调谐调q脉冲序列，成为理想的人眼安全脉冲激光器雷达的光源。本发明的激光器在重复频率和脉冲持续时间上均显著优于以固态激光器和光纤激光器为代表的传统技术，解决了传统方案系统过于庞大，难以小型化、实用化的问题，具有很好的应用前景和商业价值，尤其适用于小型化的人眼安全激光雷达系统。
1.一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：采用被动调q的半导体激光器结构，以电流注入作为泵浦源，包括增益部分（104）和可饱和吸收体部分（102）；以三五族量子阱（107）作为增益介质；所述增益部分（104）为dfb激光器并集成有布拉格光栅作为谐振腔用于选择激射波长；所述可饱和吸收体部分（102）采用反向偏置的多量子阱结构用于脉冲调制。
2.根据权利要求1所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：增益部分（104）和可饱和吸收体部分（102）之间设置有电隔离段（103）。
3.根据权利要求1所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：出光面设置有部分反射膜（105），用于控制脉冲输出强度和激光能量分布；另一端面设置有高反射膜（101），用于减少后向损耗。
4.根据权利要求1所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：采用in(1-x)ga(x)as(y)p(1-y)四元化合物作为增益介质；所述布拉格光栅采用inp波导布拉格光栅。
5.根据权利要求1所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：芯片的外延结构包括n型inp衬底层（1）、n型模式扩展波导层（2）、非掺杂下限制层（3）、势垒层（4）、量子阱层（5）、非掺杂上限制层（6）、p型刻蚀停止层（7）、p型缓冲层（8）、p型光栅层（9）、p型包层（10）、p型能带过渡层（11）以及p型欧姆接触层（12）。
6.根据权利要求5所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：所述n型inp衬底层（1）掺入浓度为1-3×10^18 cm-3的硅，n型模式扩展波导层（2）的厚度在3-5μm之间，且掺入浓度为0.5-2×10^17 cm-3的硅。
7.根据权利要求5所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：所述p型光栅层（9）的厚度为0或不为0，其中为0的部分对应法布里-珀罗谐振腔，不为0的部分对应dfb激光器。
8.根据权利要求1所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：所述布拉格光栅的设计过程中，光栅周期根据布拉格方程确定；布拉格光栅的反射系数通过耦合模理论计算；通过调整布拉格光栅的周期和光栅耦合系数，以实现不同波长的调q激光器阵列输出。
9.根据权利要求8所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：通过计算光场分布的重叠积分，以优化布拉格光栅的耦合系数。
10.根据权利要求1所述的一种实现高重复频率脉冲的人眼安全激光器雷达发射芯片，其特征在于：在dfb激光器中，通过在布拉格光栅的中间位置引入π相移结构，实现单纵模的稳定输出。
