CN104319613A - 以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
一种以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，包括:底层硅、二氧化硅层、顶层硅，位于二氧化硅层之上，底层硅、二氧化硅层、顶层硅三层形成完整的SOI结构，该SOI结构的顶层硅上刻蚀形成硅波导、石墨烯覆盖层，覆盖于硅波导的一端、过量金属容纳区、金属键合区，位于过量金属容纳区的外侧，形成键合前的SOI部分、外延用P衬底、激光器的接触层、正面金属电极和激光器背面电极其是利用选区金属键合的方法将键合前的激光器部分倒扣键合到键合前的SOI部分上，形成以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器。本发明具有工艺简单、成本低、可靠性高、易于实现等优点，在保证单片集成体积小，性能稳定，功耗低，易于集成等特点的基础上，利用石墨烯理想的饱和吸收特性来提高锁模激光器的性能。
Description
技术领域
本发明属于电子器件领域，具体涉及一种以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器。其制作工艺简单，成本低，可靠性高，有利于优化锁模激光器的工作特性。
背景技术
超短光脉冲源是近年来的热门研究对象。超短脉冲源可广泛用于高速取样、模数转换、微波和毫米波测量、光纤通信以及生物成像等领域。比如皮秒(ps)脉冲源已经被设计成时钟分布、光纤无线电设备、超高速逻辑分析仪、高速时钟捕获、超快信号处理和光时分复用的传送设备。
目前被广泛使用的超短光脉冲源主要是锁模的钛宝石固体激光器，这种激光器笨重且昂贵，并且在控制脉冲重复频率和电子同步等脉冲特性时也比较复杂。近年来，半导体锁模激光器因为其具有结构紧凑、高效和波长调谐灵活等一系列优点而成为超短脉冲源的研究热点。随着近些年来对半导体锁模激光器以及光放大器的脉冲激光动态过程的深入研究，出光功率和脉冲能量迅速增长。1.55μm波段的单片集成锁模半导体激光器由于其体积小、性能稳定、功耗低、易于与其他InP基有源和无源光子器件集成以及廉价等一系列优点而变得具有较高的商业价值，特别适合下一代高速光纤通信系统的光源以及时钟恢复等应用更是其中研究的重点。
集成的锁模激光器往往是单片集成的，吸收区和增益区都用半导体材料。但以半导体材料做吸收区有其自身的缺点：吸收区的吸收峰和增益区的增益峰存在很大的偏差，偏差20nm以上；吸收谱宽度比较窄；吸收区的恢复时间比较长，为几个Ps。因而目前单片集成的锁模激光器只能在很窄的一个范围内实现稳定工作。石墨烯则因为其低的光学损耗；很宽的吸收谱；很小的恢复时间；能够在很高的脉冲能量下工作；强的非线性；成本低；易于集成到光学系统中而成为理想的饱和吸收体。在光纤锁模激光器中，已经有大量使用石墨烯为饱和吸收体的实例。但是由于直接将石墨烯转移到半导体激光器的脊波导时，其倏逝波太弱，无法满足使用要求，而又无法像在光纤锁模激光器中一样将石墨烯转移到半导体激光器的端面，因而尚未在集成锁模激光器中有应用。
本发明利用硅基光子学中备受关注的硅基键合的方法，将石墨烯转移到SOI的脊波导上后键合，大大增强了石墨烯与倏逝波的作用。利用石墨烯理想的饱和吸收特性实现锁模，具有工艺简单，成本低廉、可靠性高的优点，并有利于提高锁模激光器的工作特性。
发明内容
本发明提供了一种以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器结构。其原理是激光器结构的上波导层较薄，通过倒扣键合的方式与转移有石墨烯的硅波导键合在一起。由于激光器结构上波导层较薄，有源区激射产生的光可以通过倏逝波耦合到硅波导中，而石墨烯在硅波导和激光器结构的界面处，存在很强的倏逝波。为了排除半导体材料的饱和吸收影响，对石墨烯上方的半导体材料做了量子阱混杂(QWI)，使之发生蓝移。仅利用石墨烯的饱和吸收特性实现锁模。本发明具有工艺简单、成本低、可靠性高、易于实现等优点，在保证单片集成体积小，性能稳定，功耗低，易于集成等特点的基础上，利用石墨烯理想的饱和吸收特性来提高锁模激光器的性能。
本发明提供一种以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，包括：
一底层硅；
一二氧化硅层，位于底层硅之上；
一顶层硅，位于二氧化硅层之上，底层硅、二氧化硅层、顶层硅三层形成完整的SOI结构，该SOI结构的顶层硅上刻蚀形成硅波导；
一石墨烯覆盖层，覆盖于硅波导的一端；
一过量金属容纳区，位于硅波导的两侧；
一金属键合区，位于过量金属容纳区的外侧，形成键合前的SOI部分；
一外延用P衬底，在其上的纵向中间依次包括：一下分离限制层、一有源区和一上分离限制层，形成基片；
一激光器的接触层，覆盖在基片的上表面，用于电连接，形成外延片，该外延片的一端为蓝移区，该外延片的中间横向有一电隔离注入区，外延片中间的凸起为脊形波导；
一正面金属电极，位于激光器的接触层的两侧，在脊形波导和正面金属电极之间形成光耦合窗口；
一激光器背面电极，制作于P衬底的背面，形成键合前的激光器部分，利用选区金属键合的方法将键合前的激光器部分倒扣键合到键合前的SOI部分上，形成以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器。
本发明的有益效果是，具有工艺简单、成本低、可靠性高、易于实现等优点，在保证单片集成体积小，性能稳定，功耗低，易于集成等特点的基础上，利用石墨烯理想的饱和吸收特性来提高锁模激光器的性能。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做详细的描述，其中：
图1为键合前的SOI部分的结构示意图；
图2为键合前的激光器部分的结构示意图；
图3为以石墨烯为饱和吸收体的锁模激光器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图3所示，本发明提供一种以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，其结构包括：
一底层硅1；
一二氧化硅层2，位于底层硅1之上；
一顶层硅3，位于二氧化硅层2之上，顶层硅3的厚度为150nm-1μm。底层硅1、二氧化硅层2、顶层硅3三层形成完整的SOI结构，该SOI结构的顶层硅3上刻蚀形成硅波导4，硅波导4的宽度为2μm-5μm，厚度为150nm-600nm；
一石墨烯覆盖层5，覆盖于硅波导4的一端，该石墨烯覆盖层5的长度为5μm-150μm，宽度为2μm-20μm，层数为1-5层；
一过量金属容纳区6，位于硅波导4的两侧，该过量金属容纳区6的宽度为2μm-10μm；
一金属键合区7，位于过量金属容纳区6的外侧，形成键合前的SOI部分，金属键合区7蒸镀的金属材料为AuGeNi/In/Sn，厚度为250nm-700nm，如图1所示；
一外延用P衬底8，在其上的纵向中间依次包括：一下分离限制层9、一有源区10和一上分离限制层11，形成基片；
一激光器的接触层12，厚度为500nm，覆盖在基片的上表面，用于电连接，形成外延片，该外延片的一端为蓝移区13，蓝移区13的长度为30μm-400μm，该外延片的中间横向有一电隔离注入区14，电隔离注入区14的长度为20μm-50μm，外延片中间的凸起为脊形波导；
一正面金属电极15，位于激光器的接触层12的两侧，在脊形波导和正面金属电极15之间形成光耦合窗口16，光耦合窗口的宽度为2μm-10μm，正面金属电极15所用的金属为AuGeNi，厚度为200-400nm；
一激光器背面电极17，制作于P衬底8的背面，激光器背面电极17的材料为AuZn，厚度为200-400nm，形成键合前的激光器部分，如图2所示，利用选区金属键合的方法将键合前的激光器部分(图2)倒扣键合到键合前的SOI部分(图1)上，形成以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器。键合所用温度为150-210℃，压力大约为0.1N，环境为氮气保护，时间只需要2min，如图3所示。
以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，包括：
一底层硅；
一二氧化硅层，位于底层硅之上；
一顶层硅，位于二氧化硅层之上，底层硅、二氧化硅层、顶层硅三层形成完整的SOI结构，该SOI结构的顶层硅上刻蚀形成硅波导；
一石墨烯覆盖层，覆盖于硅波导的一端；
一过量金属容纳区，位于硅波导的两侧；
一金属键合区，位于过量金属容纳区的外侧，形成键合前的SOI部分；
一外延用P衬底，在其上的纵向中间依次包括：一下分离限制层、一有源区和一上分离限制层，形成基片；
一激光器的接触层，覆盖在基片的上表面，用于电连接，形成外延片，该外延片的一端为蓝移区，该外延片的中间横向有一电隔离注入区，外延片中间的凸起为脊形波导；
一正面金属电极，位于激光器的接触层的两侧，在脊形波导和正面金属电极之间形成光耦合窗口；
一激光器背面电极，制作于P衬底的背面，形成键合前的激光器部分，利用选区金属键合的方法将键合前的激光器部分倒扣键合到键合前的SOI部分上，形成以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器。
2.根据权利要求1所述的以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，其硅波导的宽度为2μm-5μm，厚度为150nm-600nm。
3.根据权利要求1所述的以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，其中石墨烯覆盖层的长度为5μm-150μm。
4.根据权利要求3所述的以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，其中石墨烯覆盖层的宽度为2μm-20μm。
5.根据权利要求4所述的以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，其中石墨烯覆盖层覆盖的石墨烯层数为1-5层。
6.根据权利要求1所述的以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，其中过量金属容纳区的宽度为2μm-10μm。
7.根据权利要求1所述的以石墨烯为饱和吸收体的键合的锁模激光器，其中蓝移区的长度为30μm-400μm。
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