一种基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器及其制备方法

本发明涉及有源光波导，尤其涉及一种基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器及其制备方法。

背景技术：

1、随着光通信、光互连及光子集成电路（photonic integrated circuit，pic）技术的快速发展，越来越多的光学功能器件被集成到单一芯片平台上，以实现高速率、低功耗和高集成度的信息处理。其中，片上光放大器作为光子集成系统中的关键器件，可用于补偿波导传输损耗、提高光信号传输距离以及增强片上光信号处理能力，在集成光通信、数据中心互连及片上光网络等领域具有重要应用价值。

2、目前，片上光放大主要通过半导体光放大器（semiconductor opticalamplifier，soa）和稀土离子掺杂波导放大器两种技术路线实现。半导体光放大器具有增益高、器件尺寸小等优点，但存在噪声较大、偏振敏感以及与无源光子平台兼容性较差等问题。相比之下，稀土离子掺杂波导放大器利用稀土离子的受激辐射实现光放大，具有噪声低、工作稳定以及易于与光子集成平台兼容等优点，因此受到广泛关注。

3、其中，铒离子（er3+）由于其在1.53μm～1.56μm波段具有特征发光跃迁，与光纤通信c波段高度匹配，已成为光放大器领域应用最广泛的稀土离子之一。在980 nm或1480 nm泵浦光激发下，铒离子能够形成粒子数反转，并通过受激辐射过程实现1550 nm波段光信号放大。因此，掺铒波导放大器（erbium-doped waveguide amplifier，edwa）已成为实现片上光放大的重要技术方案。

4、现有掺铒波导放大器主要构建于硅基、氮化硅以及铌酸锂等材料平台。对于稀土离子掺杂波导放大器而言，宿主材料的禁带宽度对器件发光效率和增益性能具有重要影响。一般来说，较宽的禁带宽度有助于抑制载流子非辐射复合过程，降低热激活引起的温度淬灭效应，从而提高稀土离子在室温条件下的辐射跃迁效率和发光稳定性。对于掺铒材料体系而言，er3+离子的发光特性不仅与其掺杂浓度有关，还与宿主材料的能带结构、晶体质量以及局域晶格环境密切相关。因此，选择具有宽禁带特性的宿主材料，有利于充分发挥er3+离子在1.55μm通信波段的发光和增益特性。

5、氮化铝（aln）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度约为6.2ev，在1550nm通信波段具有约2.1的折射率，同时具有宽透明窗口、低非线性吸收、高热导率、优异的化学稳定性以及良好的硅基工艺兼容性等优点。由于其宽禁带特性能够有效降低温度淬灭效应，提高er3+离子的室温发光效率和辐射跃迁概率，因此适合作为铒离子的宿主材料。将铒离子掺入氮化铝形成掺铒氮化铝（er:aln）有源波导后，不仅能够保持氮化铝优异的导光特性和材料稳定性，还能够利用er3+离子在1.55μm通信波段的受激辐射实现光信号放大，为构建高增益、低损耗的片上光放大器提供新的技术途径。

6、在现有氮化铝光子器件中，通常通过对aln波导层进行刻蚀加工形成波导结构。然而，由于aln刻蚀工艺尚不成熟，直接刻蚀容易引入侧壁粗糙、表面缺陷以及晶格损伤，从而导致光传播损耗增加，并降低光放大器性能。

7、为降低刻蚀带来的损耗并简化制备工艺，我们提出条形加载波导（strip-loadedwaveguide）结构。该结构通过在主导光层上方引入加载结构，对局域有效折射率分布进行调控，实现传播模式约束，而无需对主导光层进行刻蚀加工。相比传统刻蚀波导结构，该结构具有传播损耗低、工艺简单以及模式调控灵活等优点。

8、因此，亟需提供一种基于掺铒氮化铝有源波导与条形加载结构的片上光放大器，以在避免有源波导刻蚀损伤的同时提高光场与铒离子的相互作用效率，实现低损耗、高增益的片上光放大功能。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器及其制备方法，旨在解决现有掺铒波导光放大器存在的刻蚀加工损耗大、光场与有源增益区域重叠不足以及增益效率较低的问题，从而实现低损耗传播、高光场重叠因子以及高增益效率的片上光放大功能。

2、为解决传统刻蚀波导需要刻蚀加工所带来的侧壁粗糙散射损耗问题，本发明采用条形加载波导（strip-loaded waveguide）结构，以掺铒氮化铝（er:aln）薄膜作为有源导光层，在其上方设置二氧化硅条形加载结构。通过条形加载结构对波导横向有效折射率分布进行调控，实现传播模式约束，而无需对有源波导层进行刻蚀加工，从而降低波导散射损耗，提高器件加工良率及长期稳定性。

3、为解决现有掺铒波导中光场与有源增益介质作用效率不足的问题，本发明利用条形加载结构产生的局域有效折射率调制作用，使传播模式优先集中于条形加载区域下方，从而增强光场在掺铒氮化铝有源波导中的分布，提高光场与铒离子之间的空间重叠程度，增强光与有源介质的相互作用效率。

4、为解决现有波导光放大器增益利用率不高的问题，本发明将条形加载导波机制与掺铒氮化铝有源增益机制相结合，在实现低损耗导光的同时提高泵浦光与信号光在有源波导中的利用效率。当980nm或1480nm泵浦光激发铒离子形成粒子数反转后，传播于波导中的1550nm信号光能够与更多处于激发态的铒离子发生受激辐射作用，从而提高单位长度增益和泵浦转换效率，实现高效片上光放大。

5、此外，本发明采用掺铒氮化铝作为有源波导材料，兼具氮化铝宽透明窗口、低非线性吸收、高热稳定性及良好硅基工艺兼容性等优点，同时结合二氧化硅条形加载结构简单易加工的特点，可在保证低传播损耗的基础上实现高效光增益，为片上光通信、光互连、集成光放大器及片上激光器等应用提供一种结构简单、易于集成且性能优良的技术方案。

6、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

7、第一方面，本发明提供一种基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器，包括：

8、硅基底；

9、设置于所述硅基底上的二氧化硅下包层；

10、设置于所述二氧化硅下包层上的掺铒氮化铝有源波导层；

11、设置于所述掺铒氮化铝有源波导层上的二氧化硅条形加载层；

12、其中，所述二氧化硅条形加载层沿光传播方向延伸设置，并与所述掺铒氮化铝有源波导层共同构成条形加载波导结构，以实现传播模式约束；

13、所述掺铒氮化铝有源波导层作为导光层和有源增益介质层，用于在泵浦光激发下实现光信号放大。

14、优选的，在上述基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器中，所述二氧化硅下包层的厚度为2~3 μm；所述掺铒氮化铝有源波导层的厚度为300~500 nm；所述二氧化硅条形加载层的宽度为1~2.8 μm ，厚度为200~300 nm。

15、优选的，在上述基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器中，所述掺铒氮化铝有源波导层中的铒原子掺杂比例为2%~4%，且所述掺铒氮化铝有源波导层在1550nm波段的折射率为1.9~2.2。

16、优选的，在上述基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器中，所述掺铒氮化铝有源波导层通过直流磁控溅射工艺制备，并采用铒铝合金靶材实现er元素在aln晶格中的原位均匀掺杂。

17、优选的，在上述基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器中，所述掺铒氮化铝有源波导层沉积完成后进行热退火处理，退火温度为1000 ℃，退火时间为30 s 。

18、优选的，在上述基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器中，所述二氧化硅条形加载层采用紫外光刻或电子束曝光工艺形成图形，并通过刻蚀工艺对预先沉积的二氧化硅薄膜进行图形化加工制备得到。

19、优选的，在上述基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器中，所述光放大器采用980nm泵浦光或1480nm泵浦光激发掺铒氮化铝有源波导层中的er3+离子，以实现1530~1565nm波段光信号放大。

20、第二方面，本发明还提供一种如上所述的基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器的制备方法，所述制备方法包括：

21、s1：在有2~3 μm厚的sio2的热氧片上沉积掺铒氮化铝薄膜，形成掺铒氮化铝有源波导层；

22、s2：对所述掺铒氮化铝有源波导层进行热退火处理；

23、s3：在所述掺铒氮化铝有源波导层表面沉积二氧化硅薄膜；

24、s4：对所述二氧化硅薄膜进行图形化刻蚀，形成二氧化硅条形加载层，所述二氧化硅条形加载层沿光传播方向延伸设置，并与所述掺铒氮化铝有源波导层共同构成条形加载波导结构。

25、优选的，在上述制备方法中，所述步骤s1中，采用直流磁控溅射工艺，以铒铝合金靶材为溅射靶材，在氩气和氮气气氛下进行沉积，溅射功率为150w，沉积时间为50~60 min，形成厚度为300-500 nm 的掺铒氮化铝有源波导层。

26、优选的，在上述制备方法中，所述步骤s2中，退火温度为1000 ℃，退火时间为30 s，退火在氮气气氛、氩气气氛或氩氮混合保护气氛下进行；所述步骤s4中，采用紫外光刻或电子束曝光工艺形成图形，再通过干法刻蚀或湿法刻蚀工艺制备所述二氧化硅条形加载层，所述二氧化硅条形加载层的宽度为1~2.8 μm，厚度为200-300 nm。

27、本发明提供的基于条形加载波导结构的掺铒氮化铝光放大器及其制备方法，其至少具有如下有益效果：

28、（1）本发明采用条形加载波导结构，通过在掺铒氮化铝有源波导层上方构建二氧化硅条形加载层实现横向模式约束，无需对掺铒氮化铝有源波导层进行刻蚀加工。相比传统刻蚀波导结构，本发明可有效避免刻蚀过程中产生的侧壁粗糙度及刻蚀损伤问题，降低由侧壁散射引起的传播损耗，提高器件加工良率及长期运行稳定性。

29、（2）本发明利用二氧化硅条形加载结构对波导横向有效折射率分布进行调控，使传播模式优先集中于条形加载区域对应的掺铒氮化铝有源波导层区域。由于掺铒氮化铝有源波导层位于模式主要分布区域内，能够提高光场与铒离子的空间重叠程度，增强光与有源介质之间的相互作用效率，从而提高受激辐射增益能力。

30、（3）本发明将条形加载波导结构的模式调控机制与掺铒氮化铝有源波导层的有源增益机制相结合，使泵浦光和信号光在掺铒氮化铝有源波导层内保持较高光场强度分布。当泵浦光激发铒离子形成粒子数反转后，信号光能够与激发态铒离子发生受激辐射作用，从而提高单位长度增益和泵浦利用效率，实现高效片上光放大。

31、（4）本发明在掺铒氮化铝有源波导层沉积完成后引入热退火处理，能够改善掺铒氮化铝薄膜的结晶质量，降低晶格缺陷密度，促进铒离子进入稳定晶格位置，提高铒离子的光学活性和辐射跃迁概率，从而增强通信波段发光强度，进一步提高波导增益性能并降低传播损耗。

32、（5）本发明采用掺铒氮化铝作为有源波导材料，在继承氮化铝宽透明窗口、低非线性吸收、高热导率及化学稳定性的同时引入铒离子有源增益机制，实现导光与放大功能一体化，有利于提高器件稳定性及制造一致性。

33、（6）本发明采用硅基底、二氧化硅下包层、掺铒氮化铝有源波导层和二氧化硅条形加载层构建器件主体结构。掺铒氮化铝有源波导层通过直流磁控溅射工艺制备，二氧化硅条形加载层通过光刻与刻蚀工艺实现图形化加工，整个工艺流程无需刻蚀有源波导层，工艺简单、重复性好，适合批量化制造及大规模光子集成。

34、（7）本发明不仅可作为通信波段片上光放大器使用，还可应用于片上激光器、放大自发辐射光源、光互连系统、波分复用通信系统及光子集成电路中的有源增益单元，为构建高性能、低功耗、高集成度的片上光子系统提供技术支持。