[發明專利]一種基于石墨烯FP腔的可調諧激光器

在審

• 申請號: 201611178147.5
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106654852A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 陸榮國;劉天良;田朝輝;楊忠華;葉勝威;夏瑞杰;張尚劍;劉永
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01S5/042
• 分類號: H01S5/042;H01S5/14;H01S5/343
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司51230
• 代理人: 李龍

技術領域

本發明屬于光電子器件技術領域，具體涉及一種基于石墨烯FP腔的可調諧激光器。

背景技術

隨著微電子器件的尺寸日益逼近其物理極限，旨在將光子學器件和電子學器件集成在硅片上的硅基光電子學得到快速發展，人們希望利用硅的資源豐富，折射率大，對通信波段透明，機械性能好，易加工等特點來制作各種光電子器件，解決現有各種器件成本較高，難于集成等問題。其中，雖然硅為間接帶隙半導體，發光效率較低，不適合直接作為發光源，但是由于硅材料的巨大應用潛力，人們并未放棄對硅基激光器的研究，目前已有報道成功利用各種方法在硅上生長III-V族材料，獲得高性能的硅基激光器。硅基激光器的成功制備使得硅材料在激光器中的應用取得巨大進步，利用硅材料制備激光器將大大降低器件的成本，易于同其他器件的集成，有利于光纖通信的快速發展。

早期可調諧激光器主要采用的是外腔光柵結構，雖然該結構激光器調諧范圍廣，激光脈沖線寬窄，但是外腔光柵結構在調諧波長時需要旋轉和移動光柵，使得調諧速度慢，操作復雜，同時使激光器的封裝成本增大。

石墨烯是由碳原子構成的二維新材料，是典型的零帶隙的半導體，其對光波測吸收系數為2.3％，導熱系數達到5300w/m.K，比金剛石和碳納米管更高，室溫下電子遷移率達到光速的1/300，電阻率只有10^-6Ω·㎝，比銅和銀電阻率更低，是世界上電阻率最小的材料，同時在石墨烯上外加一個電場，可以改變其折射率的實部和虛部，因此可將石墨烯運用到硅基器件中，制成性能穩定、快速響應和對寬帶光進行作用的硅基器件。

為了提高激光器的調諧速度，減少器件的成本，可以將外腔光柵結構制作為可調諧光柵，通過調諧外腔光柵的諧振波長，從而改變激光器的輸出光波長。一種基于石墨烯的可調諧硅波導光柵可以用來作為激光器的外腔光柵結構，該可調諧波導光柵的截面圖如圖2所示，在脊型硅波導的脊區鋪設上下兩層石墨烯，該石墨烯層16和19被制成叉指電極形式鋪在硅波導的脊區上，石墨烯周期性地分布在脊型硅波導的脊區中，通過上下電極22外加電場來調控石墨烯的折射率，使該波導光柵的有效折射率隨外加電場的變化呈周期性分布，從而形成可調諧波導光柵。該結構從下到上依次為襯底層，硅波導脊型區域層，隔離層，石墨烯層和電極，一般襯底層材料為二氧化硅，隔離層材料為硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物，石墨烯層石墨烯為單層石墨烯，電極材料為金、銀、鉑或銅。

發明內容

本發明為了解決現有技術中存在的激光器輸出波長范圍窄，調諧速度慢，器件結構不緊湊和難于集成等問題。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種基于石墨烯FP腔的可調諧激光器，包括從下至上依次設置的襯底、緩沖層、下光包層、下勢壘層、有源層、上勢壘層、上光包層和歐姆接觸層，下勢壘層上還設置有分別位于有源層兩側的第一光柵和第二光柵；

第一光柵和第二光柵采用硅波導—石墨烯的可調諧波導光柵，所述硅波導—石墨烯的可調諧波導光柵,包括襯底，所述襯底上設置有脊形硅波導，脊形硅波導包括脊區下半部分波導和脊區上半部分矩形波導，脊形硅波導包括脊區下半部分波導覆蓋有包層，脊區下半部分波導上從下至上依次設置有第一隔離介質層、第一石墨烯層、第三隔離介質層、第二石墨烯層、第五隔離介質層，第五隔離介質層設置脊區上半部分矩形波導；

第一石墨烯層與第二石墨烯層均為叉指電極結構，并通過電極引出，叉指電極結構的叉指等間距周期設置。

上述技術方案中，所述第一光柵和第二光柵有相同的諧振波長，所述第一光柵對第一光柵和第二光柵的諧振波長的光具有高反射性，所述第二光柵對第一光柵和第二光柵的諧振波長具有部分反射特性。

上述技術方案中，襯底為n型摻雜硅。

上述技術方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可調諧激光器，其特征在于所述緩沖層材料為磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)。

上述技術方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可調諧激光器，其特征在于所述上光包層和下光包層材料為InGaAsP。

上述技術方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可調諧激光器，其特征在于所述上勢壘層和下勢壘層材料為InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs。

上述技術方案中，有源層材料為InGaAs量子阱、InGaAs量子點或InGaAsP量子阱。

上述技術方案中，歐姆接觸層材料為InGaP或GaAs。

上述技術方案中，叉指電極結構的叉指(15)沿波導光傳輸方向周期分布。