CN104538839A - 平面波导型石墨烯被动锁模激光器 - Google Patents

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陆荣国
叶胜威
寿晓峰
田朝辉
张尚剑
刘爽
刘永
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Abstract

本发明公开了一种平面波导型石墨烯被动锁模激光器，涉及光电技术领域，其中，所述缓冲层、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依次制作在[100]面偏向[110]方向4~9°的N型掺杂硅衬底层上构成半导体光放大器结构；第一光栅结构和第二光栅结构具有相同中心波长，分别制作在有源层的两侧，构成光栅谐振腔；石墨烯层贴附于第一光栅结构（6）的输入端面，作为饱和吸收体。本发明以硅基为作为衬底层的，解决了现有技术中半导体超短脉冲激光器主要是以GaAS或InP为衬底不与CMOS工艺兼容的技术问题，且便于和硅基集成；并利用石墨烯的饱和吸收特性，实现了超短脉冲激光。

Description

平面波导型石墨烯被动锁模激光器
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种平面波导型石墨烯被动锁模激光器。
背景技术
随着激光技术的迅速发展及其应用要求的增加，可集成、性能稳定的器件上实现高功率、高效率、高稳定性、高光束质量和长寿命的激光器是激光领域发展的方向。超短脉冲激光器技术是近代科学最重要前沿之一，近几十年来，科学家对如何获得超短脉冲激光器已有了广泛和深入的研究。目前比较常用的技术是利用饱和吸收体来实现的被动锁模技术。其中，饱和吸收体附着在腔内，当光脉冲通过饱和吸收体时，由于光脉冲边缘部分的损耗大于光脉冲中心波长部分的损耗，使得光脉冲在通过饱和吸收体的过程中被窄化。饱和吸收体被动锁模的主要优点就是重复频率比较稳定，锁模脉冲脉宽比较窄。目前常用的饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜(SESAM)，然而SESAM具有制作工艺复杂，生产成本高，可饱和吸收光谱范围相对较窄的缺点，并且SESAM所使用的半导体化合物材料热导率一般都不高，长时间工作会积累大量的热量，导致SESAM性能退化等不足。
石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，自从2004被发现以来，由于其独特的光电特性，引起了科学界的广泛研究。单层石墨烯对紫外到红外光的光谱都有相对较大的吸收，并且随着层数的增加，吸收也线性增长，单层石墨烯调制深度可达66.5%（见文献Qiaoliang Bao, Han Zhang, Zhenhua Ni, el at. Monolayer graphene as a saturable absorber in a mode-locked laser, Nano Research, 20011, Vol.4）。石墨烯材料是一个优良的饱和吸收体，这一特性已被实验证实（见文献Qiaoliang Bao, Han Zhang, Yu Wang, el at. Atomic-Layer graphene as a saturable absorber for ultrafast pulsed Lasers. Adv. Funct. Mater. 2009, Vol.19）。另外，石墨烯的高热导率有利于迅速扩散掉沉积的热量，这一特性使其具有较高的热损伤阈值，可以作为高功率激光器的饱和吸收体来实现锁模，并长时间内维持稳定的锁模运转。
现有技术中半导体超短脉冲激光器主要是以GaAS或InP为衬底，由于材料特性的不一样，不与CMOS工艺兼容，应用受限。本领域技术人员亟需解决该技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能与CMOS工艺兼容的平面波导型石墨烯被动锁模激光器。
为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案为：
平面波导型石墨烯被动锁模激光器，包括缓冲层2、下光包层3、下势垒层4、有源层5、上势垒层9、上光包层10和欧姆接触层11，其特征在于，还包括具有相同中心波长的第一光栅结构6、第二光栅结构7和石墨烯层8，所述衬底层1为[100]面偏向[110]方向4~9°的N型掺杂硅衬底；缓冲层2、下光包层3、下势垒层4、有源层5、上势垒层9、上光包层10和欧姆接触层11自下而上依次制作在衬底层1上构成半导体光放大器结构；所述第一光栅结构6和第二光栅结构7分别制作在有源层5的两侧构成光栅谐振腔，所述石墨烯层贴附于第一光栅结构6的输入端面，作为饱和吸收体。上述技术方案中，第一光栅结构6对中心波长光具有高反射性，第二光栅结构7对中心波长为部分反射，反射率根据需要选择。
上述技术方案中，所述石墨烯层可采用单层石墨烯、多层石墨烯或经氧化还原的石墨烯聚合物。
上述技术方案中，所述缓冲层2的材料为Ge/GaAs或GaAs，缓冲层的厚度视具体需求而定。
上述技术方案中，所述有源层5为多周期结构，周期数为1~20，其材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点、InGaAsP量子阱或Ga AlAs量子阱。
上述技术方案中，所述上势垒层9和下势垒层4 的作用是限制载流子，满足下述至少一项：
所述上势垒层9和/或下势垒层4的材料为InGaAsP、InGaAs、AlGaAs或GaAs；
所述上势垒层9和/或下势垒层4厚度为1~2μm。
上述技术方案中，所述上光包层10和下光包层3的作用是限制光，满足下述至少一项：
所述上光包层10和/或下光包层3的材料为InGaAsP或AlGaAs；
所述上光包层10和/或下光包层3厚度为1~3μm。
上述技术方案中，所述欧姆接触层11的作用是作为电极使用，满足下述至少一项：
所述欧姆接触层11的材料为高掺杂的InGaP或GaAs；
所述欧姆接触层11厚度为0.2~0.5μm。
有益效果：
本发明技术方案以硅基为作为衬底层的，解决了现有技术中半导体超短脉冲激光器主要是以GaAS或InP为衬底，由于材料特性的不一样，不与CMOS工艺兼容的技术问题，便于和硅基集成；利用石墨烯的饱和吸收特性，实现超短脉冲激光。
附图说明
图1是本发明实施例的平面波导型的石墨烯被动锁模激光器结构示意图。
图1中：1、硅衬底层，2、缓冲层，3、下光包层，4、下势垒层，5、有源层，6、第一光栅结构，7、第二光栅结构，8、石墨烯层，9、上势垒层，10、上光包层，11、欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，有源层5作为增益介质位于一对光栅结构中间，构成光栅谐振腔，石墨烯作为饱和吸收体贴附于第一光栅结构6的输入端面，第一光栅结构6和第二光栅结构7 具有相同中心波长，第一光栅结构6对中心波长光具有高反射性，第二光栅结构7对波导光栅中心波长为部分反射，反射率根据需要选择。当欧姆接触层11接电极工作时，在有源层5中激发产生光波，只有与光栅中心波长一致的光波可在光栅谐振腔中形成谐振，并得到放大。当光脉冲经过饱和吸收体时，光栅中心波长处的光强使石墨烯饱和，而光栅中心波长的边翼部分的光波损耗大于中心波长的损耗，即可达到窄化光脉冲的目的，实现了稳定的超短脉冲。此外，石墨烯对紫外到红外光的光谱都有相对较大的吸收，有超快的恢复时间，并具有极高的热导率，使得锁模激光器不受饱和吸收体的带宽限制，故而可以迅速扩散掉沉积在上面的热量，使其具有较高的热损伤阈值，可以作为高功率激光器的可饱和吸收体来实现锁模，并长时间内维持稳定的锁模运转。
实施例
图1是本发明一种平面波导型石墨烯被动锁模激光器的结构示意图。
由图1可见，本发明提供的平面波导型石墨烯被动锁模激光器的缓冲层2、下光包层3、下势垒层4、有源层5、上势垒层9、上光包层10和欧姆接触层11依次制作在硅衬底层1上；第一光栅结构6和第二光栅结构7分别制作在有源层5的两侧，构成光栅谐振腔；石墨烯层8 贴附于第一光栅结构6的输入端面，作为饱和吸收体；欧姆接触层11所覆盖的上光包层10、上势垒层9、有源层5、下势垒层4、下光包层3、缓冲层2和衬底层1构成半导体光放大器结构。
实施例中所述衬底层1的材料为[100]面偏向[110]方向4~9°的N型掺杂硅，更有利于缓冲层材料的生长；
实施例中所述缓冲层2的材料为GaAs，选用金属有机化学气相沉积，即MOCVD方法制备，N型掺杂主要是为了消除硅衬底和GaAs之间的晶格失配，避免位错；
实施例中所述有源层5为多周期结构，周期数为1~20，其材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点、InGaAsP量子阱或Ga AlAs量子阱，是发光的主要结构，也可以根据需求选择不同的材料得到所需的发光波长。
实施例中所述石墨烯层8为单层石墨烯。
实施例中所述上势垒层9和下势垒层4 的材料为InGaAsP、InGaAs、AlGaAs或GaAs，厚度为1~2μm即可达到技术要求，用于量子阱或量子点的势垒，限制载流子；
实施例中所述上光包层10和下光包层3的材料为InGaAsP或AlGaAs，厚度为1~3μm，主要用于限制光，形成波导结构；
实施例中所述欧姆接触层11的材料为高掺杂的InGaP或GaAs，厚度为0.2~0.5μm即可达到技术要求，主要用于制备电极；
当欧姆接触层11接电极工作时，在有源层5中激发光波产生，只有与光栅中心波长一致的光波可在光栅谐振腔中形成谐振，并得到放大。当光脉冲经过石墨烯时，光栅中心波长处的光强使石墨烯饱和，光栅中心波长的边翼部分的光波损耗大于中心波长的损耗，使光脉冲被石墨烯饱和吸收体窄化，即实现了稳定的超短脉冲。
由上述实施例可以得知本发明的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，利用石墨烯代替SESAM作为饱和吸收体，用一对光栅结构作为光栅谐振腔，并将III-V族半导体锁模激光器与硅衬底结合起来，克服了现有技术的不足，并能与硅基微电子集成技术兼容，实现了可集成、高稳定性、窄脉宽、高能量脉冲的被动锁模激光输出。

Claims (8)

1.平面波导型石墨烯被动锁模激光器，包括缓冲层（2）、下光包层（3）、下势垒层（4）、有源层（5）、上势垒层（9）、上光包层（10）和欧姆接触层（11），其特征在于，还包括具有相同中心波长的第一光栅结构（6）、第二光栅结构（7）和石墨烯层（8），所述衬底层（1）为[100]面偏向[110]方向4~9°的N型掺杂硅衬底；缓冲层（2）、下光包层（3）、下势垒层（4）、有源层（5）、上势垒层（9）、上光包层（10）和欧姆接触层（11）自下而上依次制作在衬底层（1）上构成半导体光放大器结构；所述第一光栅结构（6）和第二光栅结构（7）分别制作在有源层（5）的两侧构成光栅谐振腔，所述石墨烯层贴附于第一光栅结构（6）的输入端面，作为饱和吸收体。
2.根据权利要求1所述的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，其特征在于：第一光栅结构（6）对中心波长光具有高反射性；第二光栅结构（7）对中心波长为部分反射。
3.根据权利要求1所述的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，其特征在于：石墨烯层为单层石墨烯、多层石墨烯或经氧化还原的石墨烯聚合物。
4.根据权利要求1所述的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，其特征在于：所述缓冲层（2）的材料为Ge/GaAs或GaAs。
5.根据权利要求1所述的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，其特征在于：所述有源层（5）为多周期结构，周期数为1~20，其材料为InGaAs量子阱、InGaAs量子点、InGaAsP量子阱或GaAlAs量子阱。
6.根据权利要求1所述的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，其特征在于，满足下述至少一项：
所述上势垒层（9）和/或下势垒层（4）的材料为InGaAsP、InGaAs、AlGaAs或GaAs；
所述上势垒层（9）和/或下势垒层（4）厚度为1~2μm。
7. 根据权利要求1所述的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，其特征在于，满足下述至少一项：
所述上光包层（10）和/或下光包层（3）的材料为InGaAsP或AlGaAs；
所述上光包层（10）和/或下光包层（3）厚度为1~3μm。
8.根据权利要求1所述的平面波导型石墨烯被动锁模激光器，其特征在于，满足下述至少一项：
所述欧姆接触层（11）的材料为高掺杂的InGaP或GaAs；
所述欧姆接触层（11）厚度为0.2~0.5μm。
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