一种基于石墨烯FP腔的可调谐激光器的制作方法

本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯FP腔的可调谐激光器。

背景技术：

随着微电子器件的尺寸日益逼近其物理极限，旨在将光子学器件和电子学器件集成在硅片上的硅基光电子学得到快速发展，人们希望利用硅的资源丰富，折射率大，对通信波段透明，机械性能好，易加工等特点来制作各种光电子器件，解决现有各种器件成本较高，难于集成等问题。其中，虽然硅为间接带隙半导体，发光效率较低，不适合直接作为发光源，但是由于硅材料的巨大应用潜力，人们并未放弃对硅基激光器的研究，目前已有报道成功利用各种方法在硅上生长III-V族材料，获得高性能的硅基激光器。硅基激光器的成功制备使得硅材料在激光器中的应用取得巨大进步，利用硅材料制备激光器将大大降低器件的成本，易于同其他器件的集成，有利于光纤通信的快速发展。

早期可调谐激光器主要采用的是外腔光栅结构，虽然该结构激光器调谐范围广，激光脉冲线宽窄，但是外腔光栅结构在调谐波长时需要旋转和移动光栅，使得调谐速度慢，操作复杂，同时使激光器的封装成本增大。

石墨烯是由碳原子构成的二维新材料，是典型的零带隙的半导体，其对光波测吸收系数为2.3％，导热系数达到5300w/m.K，比金刚石和碳纳米管更高，室温下电子迁移率达到光速的1/300，电阻率只有10^-6Ω·㎝，比铜和银电阻率更低，是世界上电阻率最小的材料，同时在石墨烯上外加一个电场，可以改变其折射率的实部和虚部，因此可将石墨烯运用到硅基器件中，制成性能稳定、快速响应和对宽带光进行作用的硅基器件。

为了提高激光器的调谐速度，减少器件的成本，可以将外腔光栅结构制作为可调谐光栅，通过调谐外腔光栅的谐振波长，从而改变激光器的输出光波长。一种基于石墨烯的可调谐硅波导光栅可以用来作为激光器的外腔光栅结构，该可调谐波导光栅的截面图如图2所示，在脊型硅波导的脊区铺设上下两层石墨烯，该石墨烯层16和19被制成叉指电极形式铺在硅波导的脊区上，石墨烯周期性地分布在脊型硅波导的脊区中，通过上下电极22外加电场来调控石墨烯的折射率，使该波导光栅的有效折射率随外加电场的变化呈周期性分布，从而形成可调谐波导光栅。该结构从下到上依次为衬底层，硅波导脊型区域层，隔离层，石墨烯层和电极，一般衬底层材料为二氧化硅，隔离层材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物，石墨烯层石墨烯为单层石墨烯，电极材料为金、银、铂或铜。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中存在的激光器输出波长范围窄，调谐速度慢，器件结构不紧凑和难于集成等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于石墨烯FP腔的可调谐激光器，包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、下光包层、下势垒层、有源层、上势垒层、上光包层和欧姆接触层，下势垒层上还设置有分别位于有源层两侧的第一光栅和第二光栅；

第一光栅和第二光栅采用硅波导—石墨烯的可调谐波导光栅，所述硅波导—石墨烯的可调谐波导光栅,包括衬底，所述衬底上设置有脊形硅波导，脊形硅波导包括脊区下半部分波导和脊区上半部分矩形波导，脊形硅波导包括脊区下半部分波导覆盖有包层，脊区下半部分波导上从下至上依次设置有第一隔离介质层、第一石墨烯层、第三隔离介质层、第二石墨烯层、第五隔离介质层，第五隔离介质层设置脊区上半部分矩形波导；

第一石墨烯层与第二石墨烯层均为叉指电极结构，并通过电极引出，叉指电极结构的叉指等间距周期设置。

上述技术方案中，所述第一光栅和第二光栅有相同的谐振波长，所述第一光栅对第一光栅和第二光栅的谐振波长的光具有高反射性，所述第二光栅对第一光栅和第二光栅的谐振波长具有部分反射特性。

上述技术方案中，衬底为n型掺杂硅。

上述技术方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可调谐激光器，其特征在于所述缓冲层材料为磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)。

上述技术方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可调谐激光器，其特征在于所述上光包层和下光包层材料为InGaAsP。

上述技术方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可调谐激光器，其特征在于所述上势垒层和下势垒层材料为InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs。

上述技术方案中，有源层材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点或InGaAsP量子阱。

上述技术方案中，欧姆接触层材料为InGaP或GaAs。

上述技术方案中，叉指电极结构的叉指(15)沿波导光传输方向周期分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用基于石墨烯的可调谐硅波导光栅代替传统FP腔激光器的外腔光栅结构，可直接利用外加在光栅上的电场来调谐激光器的输出波长，解决了早期FP腔激光器在调谐波长时外腔光栅结构需要旋转和移动光栅的问题，降低了器件的封装成本，同时提高了器件的调谐速率，增大了激光器波长调谐的范围。

2、本发明提供的一种基于石墨烯FP腔的可调谐激光器，采用硅上生长III-V材料作为有源区的发光材料，制备成硅基激光器，同时采用硅波导光栅作为激光器的外腔结构，有利于减小器件的尺寸和实现器件的集成。

附图说明

图1是本发明的基于石墨烯FP腔的可调谐激光器的侧向横截面示意图；

图中标记：1-衬底，2-缓冲层，3-下光包层，4-下势垒层，5-有源层，6-第一光栅，7-第二光栅，8-上势垒层，9-上光包层，10-欧姆接触层。

图2是石墨烯FP腔可调谐激光器中外腔光栅结构—基于石墨烯的可调谐硅波导光栅的横截发明的基于石墨面示意图；

图中标记：11-光栅衬底，12-硅波导芯层脊区下半区域，13-包层，15-第一隔离介质层，17-第二隔离介质层，18-第三隔离介质层，20-第四隔离介质层，21-第五隔离介质层，16-第一石墨烯层，19-第二石墨烯层，22-电极，24-脊区上半部分矩形波导。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

结合附图，本发明的基于石墨烯FP腔的可调谐激光器包括衬底1，所述衬底上设有缓冲层2，所述缓冲层上设有下光包层3，所述下光包层上设有下势垒层4，所述下势垒层上设有有源层5，所述有源层上设有上势垒层8，所述上势垒层上有上光包层9，所述上光包层上设有欧姆接触层10，所述下势垒层上和有源层两侧设有第一光栅6和第二光栅7。

本发明的基于石墨烯FP腔的可调谐激光器中外腔光栅结构—基于石墨烯的可调谐硅波导光栅结构(第一光栅6和第二光栅7)包括衬底11，硅波导脊型区域，波导的包层13，隔离介质层(第一隔离介质层15，第二隔离介质层17，第三隔离介质层18，第四隔离介质层20，第五隔离介质层21)，石墨烯层(第一石墨烯层16，第二石墨烯层19)，电极22。

所述第一光栅6和第二光栅7为基于石墨烯的可调谐硅波导光栅，所述基于石墨烯的可调谐硅波导光栅的谐振波长可随加在该光栅结构上的电场变化而变化。

所述第一光栅6和第二光栅7有相同的谐振波长，所述第一光栅对第一光栅和第二光栅的谐振波长的光具有高反射性，所述第二光栅对第一光栅和第二光栅的谐振波长具有部分反射特性。

所述衬底1为n型掺杂硅，所述缓冲层2材料为磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)，所述上光包层9和下光包层3材料为InGaAsP，所述上势垒层8和下势垒层4材料为InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs，所述有源层5材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点或InGaAsP量子阱，所述欧姆接触层10材料为InGaP或GaAs。

所述第一光栅6和第二光栅7结构中包括衬底11材料为二氧化硅，波导芯层12、24材料为硅，隔离介质层(第一隔离介质层15，第二隔离介质层17，第三隔离介质层18，第四隔离介质层20，第五隔离介质层21)材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物，电极22材料为金、银、铂或铜。

本发明的基于石墨烯FP腔的可调谐激光器的工作原理为：有源层5作为增益介质与第一光栅6和第二光栅7共同构成光谐振腔，第一光栅6和第二光栅7具有相同的谐振波长，第一光栅6对第一光栅和第二光栅的谐振波长的光具有高反射性，所述第二光栅7对第一光栅和第二光栅的谐振波长具有部分反射特性。当欧姆接触层10接电极工作时，有源层5在激励源的作用下产生光波，只有与光栅谐振波长一致的光波才能在光谐振腔中形成谐振，并得到放大,最终形成激光输出。当需要调谐激光器的输出波长时，通过改变外腔光栅结构6、7中加在电极22上的电压，改变第一石墨烯层16、第二石墨烯层19的折射率，从而改变光栅结构的有效折射率，最终改变光栅结构的谐振波长，实现激光器输出波长的调谐。

对于硅波导—石墨烯的可调谐波导光栅部分的工作原理为：覆盖在硅波导芯层脊型脊区中第一石墨烯层16和第二石墨烯层19，通过在电极上外加电场，使得石墨烯的折射率随外加电场的变化而变化，从而在整个波导中，使周期性覆盖有石墨烯的波导部分的有效折射率也随电场的改变而改变，没有石墨烯覆盖的部分波导的折射率保持不变，因此在波导中沿光传输的方向上，使得波导的有效折射率随外加电场的变化呈周期性变化，形成波导光栅，而波导光栅的谐振波长只与波导光栅的周期和有效折射率有关，在不改变波导光栅结构和周期的前提下，该波导光栅的谐振波长随着外加在石墨烯上电场的变化而改变，从而形成可调谐波导光栅。

实施例一

结合附图1，本实施例基于石墨烯FP腔的可调谐激光器衬底1材料为n型掺杂硅，所述缓冲层2材料为1-2μm厚的磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)，所述上光包层9和下光包层3材料为0.15-0.3μm厚的InGaAsP，所述上势垒层8和下势垒层4材料为1-2μm厚的InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs，所述有源层5材料为0.1-0.2μm厚的InGaAs量子阱、InGaAs量子点或InGaAsP量子阱，所述欧姆接触层10材料为0.15-0.3μm厚的InGaP或GaAs。

结合附图2，本实施例基于石墨烯FP腔的可调谐激光器光栅结构6、7中，衬底11的材料是二氧化硅，在二氧化硅衬底上设置芯层脊型波导的脊区宽度为0.6μm，脊高为0.25μm，所述第石墨烯层16和19均为单层石墨烯，隔离介质层均为厚度为5nm的六方氮化硼(hBN)，电极22材料为金、银、铂或铜。

本发明利用石墨烯的可调谐硅波导光栅作为激光器的外腔光栅结构，便于激光波长的直接调谐，且调谐范围较宽，调谐速度较高，同时适应了硅微加工技术的快速发展，有利于减小器件的尺寸，便于与各种硅基器件集成。