本發(fā)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器。

背景技術(shù)：

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(xué)器件和電子學(xué)器件集成在硅片上的硅基光電子學(xué)得到快速發(fā)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(xiàn)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(dǎo)體，發(fā)光效率較低，不適合直接作為發(fā)光源，但是由于硅材料的巨大應(yīng)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(yīng)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(fā)展。

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

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維新材料，是典型的零帶隙的半導(dǎo)體，其對光波測吸收系數(shù)為2.3％，導(dǎo)熱系數(shù)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(wěn)定、快速響應(yīng)和對寬帶光進行作用的硅基器件。

為了提高激光器的調(diào)諧速度，減少器件的成本，可以將外腔光柵結(jié)構(gòu)制作為可調(diào)諧光柵，通過調(diào)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(diào)諧硅波導(dǎo)光柵可以用來作為激光器的外腔光柵結(jié)構(gòu)，該可調(diào)諧波導(dǎo)光柵的截面圖如圖2所示，在脊型硅波導(dǎo)的脊區(qū)鋪設(shè)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(dǎo)的脊區(qū)上，石墨烯周期性地分布在脊型硅波導(dǎo)的脊區(qū)中，通過上下電極22外加電場來調(diào)控石墨烯的折射率，使該波導(dǎo)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(diào)諧波導(dǎo)光柵。該結(jié)構(gòu)從下到上依次為襯底層，硅波導(dǎo)脊型區(qū)域?qū)?，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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的激光器輸出波長范圍窄，調(diào)諧速度慢，器件結(jié)構(gòu)不緊湊和難于集成等問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器，包括從下至上依次設(shè)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(shè)置有分別位于有源層兩側(cè)的第一光柵和第二光柵；

第一光柵和第二光柵采用硅波導(dǎo)—石墨烯的可調(diào)諧波導(dǎo)光柵，所述硅波導(dǎo)—石墨烯的可調(diào)諧波導(dǎo)光柵,包括襯底，所述襯底上設(shè)置有脊形硅波導(dǎo)，脊形硅波導(dǎo)包括脊區(qū)下半部分波導(dǎo)和脊區(qū)上半部分矩形波導(dǎo)，脊形硅波導(dǎo)包括脊區(qū)下半部分波導(dǎo)覆蓋有包層，脊區(qū)下半部分波導(dǎo)上從下至上依次設(shè)置有第一隔離介質(zhì)層、第一石墨烯層、第三隔離介質(zhì)層、第二石墨烯層、第五隔離介質(zhì)層，第五隔離介質(zhì)層設(shè)置脊區(qū)上半部分矩形波導(dǎo)；

第一石墨烯層與第二石墨烯層均為叉指電極結(jié)構(gòu)，并通過電極引出，叉指電極結(jié)構(gòu)的叉指等間距周期設(shè)置。

上述技術(shù)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(shù)方案中，襯底為n型摻雜硅。

上述技術(shù)方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可調(diào)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(shù)方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可調(diào)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(shù)方案中，所述的基于石墨烯FP腔的可調(diào)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(shù)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(shù)方案中，歐姆接觸層材料為InGaP或GaAs。

上述技術(shù)方案中，叉指電極結(jié)構(gòu)的叉指(15)沿波導(dǎo)光傳輸方向周期分布。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明利用基于石墨烯的可調(diào)諧硅波導(dǎo)光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)FP腔激光器的外腔光柵結(jié)構(gòu)，可直接利用外加在光柵上的電場來調(diào)諧激光器的輸出波長，解決了早期FP腔激光器在調(diào)諧波長時外腔光柵結(jié)構(gòu)需要旋轉(zhuǎn)和移動光柵的問題，降低了器件的封裝成本，同時提高了器件的調(diào)諧速率，增大了激光器波長調(diào)諧的范圍。

2、本發(fā)明提供的一種基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器，采用硅上生長III-V材料作為有源區(qū)的發(fā)光材料，制備成硅基激光器，同時采用硅波導(dǎo)光柵作為激光器的外腔結(jié)構(gòu)，有利于減小器件的尺寸和實現(xiàn)器件的集成。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器的側(cè)向橫截面示意圖；

圖中標(biāo)記：1-襯底，2-緩沖層，3-下光包層，4-下勢壘層，5-有源層，6-第一光柵，7-第二光柵，8-上勢壘層，9-上光包層，10-歐姆接觸層。

圖2是石墨烯FP腔可調(diào)諧激光器中外腔光柵結(jié)構(gòu)—基于石墨烯的可調(diào)諧硅波導(dǎo)光柵的橫截發(fā)明的基于石墨面示意圖；

圖中標(biāo)記：11-光柵襯底，12-硅波導(dǎo)芯層脊區(qū)下半?yún)^(qū)域，13-包層，15-第一隔離介質(zhì)層，17-第二隔離介質(zhì)層，18-第三隔離介質(zhì)層，20-第四隔離介質(zhì)層，21-第五隔離介質(zhì)層，16-第一石墨烯層，19-第二石墨烯層，22-電極，24-脊區(qū)上半部分矩形波導(dǎo)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的描述，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，并不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的其他所用實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

結(jié)合附圖，本發(fā)明的基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器包括襯底1，所述襯底上設(shè)有緩沖層2，所述緩沖層上設(shè)有下光包層3，所述下光包層上設(shè)有下勢壘層4，所述下勢壘層上設(shè)有有源層5，所述有源層上設(shè)有上勢壘層8，所述上勢壘層上有上光包層9，所述上光包層上設(shè)有歐姆接觸層10，所述下勢壘層上和有源層兩側(cè)設(shè)有第一光柵6和第二光柵7。

本發(fā)明的基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器中外腔光柵結(jié)構(gòu)—基于石墨烯的可調(diào)諧硅波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(第一光柵6和第二光柵7)包括襯底11，硅波導(dǎo)脊型區(qū)域，波導(dǎo)的包層13，隔離介質(zhì)層(第一隔離介質(zhì)層15，第二隔離介質(zhì)層17，第三隔離介質(zhì)層18，第四隔離介質(zhì)層20，第五隔離介質(zhì)層21)，石墨烯層(第一石墨烯層16，第二石墨烯層19)，電極22。

所述第一光柵6和第二光柵7為基于石墨烯的可調(diào)諧硅波導(dǎo)光柵，所述基于石墨烯的可調(diào)諧硅波導(dǎo)光柵的諧振波長可隨加在該光柵結(jié)構(gòu)上的電場變化而變化。

所述第一光柵6和第二光柵7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。

所述襯底1為n型摻雜硅，所述緩沖層2材料為磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)，所述上光包層9和下光包層3材料為InGaAsP，所述上勢壘層8和下勢壘層4材料為InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs，所述有源層5材料為InGaAs量子阱、InGaAs量子點或InGaAsP量子阱，所述歐姆接觸層10材料為InGaP或GaAs。

所述第一光柵6和第二光柵7結(jié)構(gòu)中包括襯底11材料為二氧化硅，波導(dǎo)芯層12、24材料為硅，隔離介質(zhì)層(第一隔離介質(zhì)層15，第二隔離介質(zhì)層17，第三隔離介質(zhì)層18，第四隔離介質(zhì)層20，第五隔離介質(zhì)層21)材料為硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物，電極22材料為金、銀、鉑或銅。

本發(fā)明的基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器的工作原理為：有源層5作為增益介質(zhì)與第一光柵6和第二光柵7共同構(gòu)成光諧振腔，第一光柵6和第二光柵7具有相同的諧振波長，第一光柵6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7對第一光柵和第二光柵的諧振波長具有部分反射特性。當(dāng)歐姆接觸層10接電極工作時，有源層5在激勵源的作用下產(chǎn)生光波，只有與光柵諧振波長一致的光波才能在光諧振腔中形成諧振，并得到放大,最終形成激光輸出。當(dāng)需要調(diào)諧激光器的輸出波長時，通過改變外腔光柵結(jié)構(gòu)6、7中加在電極22上的電壓，改變第一石墨烯層16、第二石墨烯層19的折射率，從而改變光柵結(jié)構(gòu)的有效折射率，最終改變光柵結(jié)構(gòu)的諧振波長，實現(xiàn)激光器輸出波長的調(diào)諧。

對于硅波導(dǎo)—石墨烯的可調(diào)諧波導(dǎo)光柵部分的工作原理為：覆蓋在硅波導(dǎo)芯層脊型脊區(qū)中第一石墨烯層16和第二石墨烯層19，通過在電極上外加電場，使得石墨烯的折射率隨外加電場的變化而變化，從而在整個波導(dǎo)中，使周期性覆蓋有石墨烯的波導(dǎo)部分的有效折射率也隨電場的改變而改變，沒有石墨烯覆蓋的部分波導(dǎo)的折射率保持不變，因此在波導(dǎo)中沿光傳輸?shù)姆较蛏希沟貌▽?dǎo)的有效折射率隨外加電場的變化呈周期性變化，形成波導(dǎo)光柵，而波導(dǎo)光柵的諧振波長只與波導(dǎo)光柵的周期和有效折射率有關(guān)，在不改變波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)和周期的前提下，該波導(dǎo)光柵的諧振波長隨著外加在石墨烯上電場的變化而改變，從而形成可調(diào)諧波導(dǎo)光柵。

實施例一

結(jié)合附圖1，本實施例基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器襯底1材料為n型摻雜硅，所述緩沖層2材料為1-2μm厚的磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)，所述上光包層9和下光包層3材料為0.15-0.3μm厚的InGaAsP，所述上勢壘層8和下勢壘層4材料為1-2μm厚的InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs，所述有源層5材料為0.1-0.2μm厚的InGaAs量子阱、InGaAs量子點或InGaAsP量子阱，所述歐姆接觸層10材料為0.15-0.3μm厚的InGaP或GaAs。

結(jié)合附圖2，本實施例基于石墨烯FP腔的可調(diào)諧激光器光柵結(jié)構(gòu)6、7中，襯底11的材料是二氧化硅，在二氧化硅襯底上設(shè)置芯層脊型波導(dǎo)的脊區(qū)寬度為0.6μm，脊高為0.25μm，所述第石墨烯層16和19均為單層石墨烯，隔離介質(zhì)層均為厚度為5nm的六方氮化硼(hBN)，電極22材料為金、銀、鉑或銅。

本發(fā)明利用石墨烯的可調(diào)諧硅波導(dǎo)光柵作為激光器的外腔光柵結(jié)構(gòu)，便于激光波長的直接調(diào)諧，且調(diào)諧范圍較寬，調(diào)諧速度較高，同時適應(yīng)了硅微加工技術(shù)的快速發(fā)展，有利于減小器件的尺寸，便于與各種硅基器件集成。