本發(fā)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器。

背景技術(shù)：

隨著人們對大容量、高速和低成本的信息傳播的要求越來越迫切，制作高密度集成、低成本、超快傳輸速率和高抗干擾性的器件成為科研人員長期奮斗的目標(biāo)。由于硅與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容性很好,利于集成；其在地殼中含量高,能有效降低器件成本；同時硅對通信波段透明,光學(xué)損耗較低；此外硅折射率大,具有優(yōu)秀的波導(dǎo)性能；特別是絕緣體上硅(SOI)具有高折射率差,能使器件結(jié)構(gòu)緊湊,有效減小器件尺寸等優(yōu)勢，硅材料被廣泛應(yīng)用于制作各種半導(dǎo)體集成器件。

雖然近年來硅基光電子學(xué)得以蓬勃發(fā)展，但硅基光源一直沒有得到真正的解決，成為制約硅基光電子學(xué)發(fā)展的瓶頸，由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率不高，使得硅不適合作為發(fā)光材料，同時由于III-V族化合物半導(dǎo)體材料制成的光源成本較高，使人們一直沒有放棄嘗試在硅上制作激光器的努力。目前，已有科學(xué)家利用直接分子鍵合和DVS-BCB粘合等方法，可以將III-V族材料集成到SOI襯底上，在低溫情況下，對硅上生長高質(zhì)量的銦磷層，制備高性能的硅基銦磷激光器，這些研究成果使得硅基光源獲得了巨大的進(jìn)展，使人們對制備成熟大規(guī)模應(yīng)用的硅基激光器具有極大的信心。

同時，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所方青等人設(shè)計了一種載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵，如圖2所示，該圖為載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖中加點(diǎn)區(qū)域為摻雜區(qū)，周期性分布的P摻雜區(qū)形成在波導(dǎo)芯層的一側(cè)，每個摻雜區(qū)域相隔間距L，周期性分布的N摻雜區(qū)形成在波導(dǎo)芯層的另一側(cè)，與P摻雜區(qū)相隔間距為W，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵是在偏壓下，對波導(dǎo)進(jìn)行載流子的抽離和注入，改變波導(dǎo)中載流子的濃度，從而改變波導(dǎo)光柵的折射率，達(dá)到改變該波導(dǎo)光柵的中心波長的目的，同時，可以在光柵端面加增透薄膜和控制光柵的長度來改變光柵端面的反射率。

這種載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵用來作為外腔光柵結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧激光器的外腔，可以取代復(fù)雜的光學(xué)光柵系統(tǒng)，在調(diào)諧激光器輸出波長時不用調(diào)換激光器的外腔結(jié)構(gòu)，不僅提高了激光器的調(diào)諧速率，也大大降低了器件的封裝成本和增大了器件使用的靈活度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明用于解決現(xiàn)有技術(shù)中利用外腔光柵結(jié)構(gòu)的激光器調(diào)諧輸出波長過程復(fù)雜、調(diào)諧速度慢、結(jié)構(gòu)尺寸較大、制作成本較高和難與硅基器件集成等問題，而提出的一種基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器，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。

上述技術(shù)方案中，所述第一光柵和第二光柵結(jié)構(gòu)為載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵。所述載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)中，周期性分布的P摻雜區(qū)與周期性分布的N摻雜區(qū)分布在波導(dǎo)的兩側(cè)，在偏壓下對該光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行載流子的抽離和注入，實現(xiàn)對該光柵結(jié)構(gòu)折射率的改變。

上述技術(shù)方案中，所述第一光柵和第二光柵具有相同的中心波長，在偏壓調(diào)節(jié)下，第一光柵和第二光柵對中心波長具有高的反射性。

上述技術(shù)方案中，所述襯底為n型摻雜硅，所述緩沖層材料為磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)，所述上光包層和下光包層材料為InGaAsP，所述上勢壘層和下勢壘層材料為InP、InGaAsP、InGaAs或GaAs，所述有源層材料為InGaAs量子阱、InGaAs量子點(diǎn)或InGaAsP量子阱，所述歐姆接觸層材料為InGaP或GaAs。

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)明提供的一種基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器，用可調(diào)諧的載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵作為激光器的光學(xué)外腔，使得激光器可通過該光學(xué)外腔光柵調(diào)諧激光器的輸出激光波長。

2、本發(fā)明提供的一種基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器，利用可調(diào)諧載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)可調(diào)諧激光器的外腔復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)光柵，直接利用偏壓對載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵進(jìn)行調(diào)諧，避免傳統(tǒng)激光器調(diào)諧激光時需要調(diào)換外腔光柵，提高了器件的調(diào)諧速率，降低器件的封裝成本，增大了激光器在光網(wǎng)絡(luò)中使用的靈活性。

3、本發(fā)明提供的一種基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器，載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵傳輸光的芯層為脊形波導(dǎo)或者條形波導(dǎo)，尺寸可以做到微米量級，因此減小器件的尺寸，同時該激光器為硅基上生長銦磷的激光器，在減小器件制作成本的同時，也有利于激光器與其他硅基器件的集成。

附圖說明

圖1是基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器的橫截面示意圖；

圖2是載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖3是載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖中標(biāo)記：1-襯底，2-緩沖層，3-下光包層，4-下勢壘層，5-第一光柵，6-第二光柵，7-有源層，8-上勢壘層，9-上光包層，10-歐姆接觸層，11-P摻雜區(qū)，12-N摻雜區(qū)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)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。基于本發(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(hù)范圍。

結(jié)合附圖，本發(fā)明的基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(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7，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5和第二光柵6(結(jié)構(gòu)參見附圖2)。

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7材料為InGaAs量子阱、InGaAs量子點(diǎn)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5和第二光柵6通過離子注入等方式注入B或BF₂等離子，在誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的波導(dǎo)芯層一側(cè)形成周期性分布的P型摻雜；通過離子注入等方式注入P或As等離子，在誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵波導(dǎo)芯層的另一側(cè)形成周期性分布的N型摻雜，使得該誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的折射率在波導(dǎo)光傳輸?shù)姆较蛏铣手芷谛苑植?，第一光柵和第二光柵在有無偏壓下，都可對某一波長的光信號進(jìn)行濾波或反射。

本發(fā)明的基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(diào)諧激光器的工作原理為：有源層7作為增益介質(zhì)與第一光柵5和第二光柵6共同構(gòu)成光諧振腔，第一光柵5和第二光柵6具有相同的中心波長，第一光柵5對中心波長的光具有高反射性，第二光柵6對中心波長具有部分反射性。當(dāng)歐姆接觸層10接電極工作時，有源層7在激勵源的作用下產(chǎn)生光波，只有與光柵中心波長一致的光波才能在光諧振腔中形成諧振，并得到放大。諧振腔中的光波經(jīng)過第一光柵5反射后再經(jīng)過第二光柵6反射，在諧振腔中中心波長的光波的能量得到不斷的積累，當(dāng)滿足增益大于損耗時，諧振腔中的光波經(jīng)部分反射光柵6順利輸出。當(dāng)需要調(diào)諧激光器輸出的激光波長時，可以直接通過控制外加電壓來改變載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵中摻雜區(qū)域載流子的濃度來改變該光柵的中心波長，從而改變在激光諧振腔中諧振的激光波長，達(dá)到改變激光器調(diào)諧輸出激光波長的目的。

實施例一

結(jié)合附圖1，本實施例基于載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵的硅基可調(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7材料為0.1-0.2μm厚的InGaAs量子阱、InGaAs量子點(diǎn)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。所述第一光柵5和第二光柵6中P摻雜區(qū)可注入B或BF2等離子，N摻雜區(qū)可注入P或As等離子，該光柵波導(dǎo)芯層為硅脊形波導(dǎo)或者條形波導(dǎo)。

載流子誘導(dǎo)波導(dǎo)光柵作為激光器的外腔光柵，不僅使激光器可以調(diào)諧輸出的激光波長，而且避免了傳統(tǒng)外腔光柵結(jié)構(gòu)激光器在調(diào)諧激光波長時需要調(diào)換外腔光柵的問題，提高了激光器的調(diào)諧速率，增大了器件在光網(wǎng)絡(luò)中使用的靈活性，同時該硅基激光器減小了器件的制作成本，有利于與其他硅基器件的集成。