一种基于载流子诱导波导光栅的硅基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，具体涉及一种基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器。

背景技术：

随着人们对大容量、高速和低成本的信息传播的要求越来越迫切，制作高密度集成、低成本、超快传输速率和高抗干扰性的器件成为科研人员长期奋斗的目标。由于硅与传统的CMOS工艺兼容性很好,利于集成；其在地壳中含量高,能有效降低器件成本；同时硅对通信波段透明,光学损耗较低；此外硅折射率大,具有优秀的波导性能；特别是绝缘体上硅(SOI)具有高折射率差,能使器件结构紧凑,有效减小器件尺寸等优势，硅材料被广泛应用于制作各种半导体集成器件。

虽然近年来硅基光电子学得以蓬勃发展，但硅基光源一直没有得到真正的解决，成为制约硅基光电子学发展的瓶颈，由于硅是间接带隙半导体，发光效率不高，使得硅不适合作为发光材料，同时由于III-V族化合物半导体材料制成的光源成本较高，使人们一直没有放弃尝试在硅上制作激光器的努力。目前，已有科学家利用直接分子键合和DVS-BCB粘合等方法，可以将III-V族材料集成到SOI衬底上，在低温情况下，对硅上生长高质量的铟磷层，制备高性能的硅基铟磷激光器，这些研究成果使得硅基光源获得了巨大的进展，使人们对制备成熟大规模应用的硅基激光器具有极大的信心。

同时，中国科学院半导体研究所方青等人设计了一种载流子诱导波导光栅，如图2所示，该图为载流子诱导波导光栅结构的俯视图，图中加点区域为掺杂区，周期性分布的P掺杂区形成在波导芯层的一侧，每个掺杂区域相隔间距L，周期性分布的N掺杂区形成在波导芯层的另一侧，与P掺杂区相隔间距为W，其结构图如图3所示。该载流子诱导波导光栅是在偏压下，对波导进行载流子的抽离和注入，改变波导中载流子的浓度，从而改变波导光栅的折射率，达到改变该波导光栅的中心波长的目的，同时，可以在光栅端面加增透薄膜和控制光栅的长度来改变光栅端面的反射率。

这种载流子诱导波导光栅用来作为外腔光栅结构的可调谐激光器的外腔，可以取代复杂的光学光栅系统，在调谐激光器输出波长时不用调换激光器的外腔结构，不仅提高了激光器的调谐速率，也大大降低了器件的封装成本和增大了器件使用的灵活度。

技术实现要素：

本发明用于解决现有技术中利用外腔光栅结构的激光器调谐输出波长过程复杂、调谐速度慢、结构尺寸较大、制作成本较高和难与硅基器件集成等问题，而提出的一种基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器，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。

上述技术方案中，所述第一光栅和第二光栅结构为载流子诱导波导光栅。所述载流子诱导波导光栅结构中，周期性分布的P掺杂区与周期性分布的N掺杂区分布在波导的两侧，在偏压下对该光栅结构进行载流子的抽离和注入，实现对该光栅结构折射率的改变。

上述技术方案中，所述第一光栅和第二光栅具有相同的中心波长，在偏压调节下，第一光栅和第二光栅对中心波长具有高的反射性。

上述技术方案中，所述衬底为n型掺杂硅，所述缓冲层材料为磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)，所述上光包层和下光包层材料为InGaAsP，所述上势垒层和下势垒层材料为InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs，所述有源层材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点或InGaAsP量子阱，所述欧姆接触层材料为InGaP或GaAs。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器，用可调谐的载流子诱导波导光栅作为激光器的光学外腔，使得激光器可通过该光学外腔光栅调谐激光器的输出激光波长。

2、本发明提供的一种基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器，利用可调谐载流子诱导波导光栅代替传统可调谐激光器的外腔复杂光学系统光栅，直接利用偏压对载流子诱导波导光栅进行调谐，避免传统激光器调谐激光时需要调换外腔光栅，提高了器件的调谐速率，降低器件的封装成本，增大了激光器在光网络中使用的灵活性。

3、本发明提供的一种基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器，载流子诱导波导光栅传输光的芯层为脊形波导或者条形波导，尺寸可以做到微米量级，因此减小器件的尺寸，同时该激光器为硅基上生长铟磷的激光器，在减小器件制作成本的同时，也有利于激光器与其他硅基器件的集成。

附图说明

图1是基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器的横截面示意图；

图2是载流子诱导波导光栅结构的俯视图；

图3是载流子诱导波导光栅结构的示意图。

图中标记：1-衬底，2-缓冲层，3-下光包层，4-下势垒层，5-第一光栅，6-第二光栅，7-有源层，8-上势垒层，9-上光包层，10-欧姆接触层，11-P掺杂区，12-N掺杂区。

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，本发明的基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器，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7，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5和第二光栅6(结构参见附图2)。

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7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5和第二光栅6通过离子注入等方式注入B或BF₂等离子，在诱导波导光栅的波导芯层一侧形成周期性分布的P型掺杂；通过离子注入等方式注入P或As等离子，在诱导波导光栅波导芯层的另一侧形成周期性分布的N型掺杂，使得该诱导波导光栅的折射率在波导光传输的方向上呈周期性分布，第一光栅和第二光栅在有无偏压下，都可对某一波长的光信号进行滤波或反射。

本发明的基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器的工作原理为：有源层7作为增益介质与第一光栅5和第二光栅6共同构成光谐振腔，第一光栅5和第二光栅6具有相同的中心波长，第一光栅5对中心波长的光具有高反射性，第二光栅6对中心波长具有部分反射性。当欧姆接触层10接电极工作时，有源层7在激励源的作用下产生光波，只有与光栅中心波长一致的光波才能在光谐振腔中形成谐振，并得到放大。谐振腔中的光波经过第一光栅5反射后再经过第二光栅6反射，在谐振腔中中心波长的光波的能量得到不断的积累，当满足增益大于损耗时，谐振腔中的光波经部分反射光栅6顺利输出。当需要调谐激光器输出的激光波长时，可以直接通过控制外加电压来改变载流子诱导波导光栅中掺杂区域载流子的浓度来改变该光栅的中心波长，从而改变在激光谐振腔中谐振的激光波长，达到改变激光器调谐输出激光波长的目的。

实施例一

结合附图1，本实施例基于载流子诱导波导光栅的硅基可调谐激光器衬底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7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。所述第一光栅5和第二光栅6中P掺杂区可注入B或BF2等离子，N掺杂区可注入P或As等离子，该光栅波导芯层为硅脊形波导或者条形波导。

载流子诱导波导光栅作为激光器的外腔光栅，不仅使激光器可以调谐输出的激光波长，而且避免了传统外腔光栅结构激光器在调谐激光波长时需要调换外腔光栅的问题，提高了激光器的调谐速率，增大了器件在光网络中使用的灵活性，同时该硅基激光器减小了器件的制作成本，有利于与其他硅基器件的集成。