片上光放大器及其制造方法与流程

1.本技术涉及光通信器件领域，具体是涉及一种片上光放大器及其制造方法。


背景技术：

2.光波导放大器是硅光通信系统中不可或缺的器件，对于光信号的片上放大和损耗补偿起着重要作用。由于间接带隙硅材料的发光缺陷，以及现代光通信系统对于超长传输距离的需求，如何提高片上光放大器的增益效果成为了目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术实施例提供了一种片上光放大器及其制造方法。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种片上光放大器，包括：
5.衬底；
6.氧化层，覆盖在所述衬底上；
7.波导层，位于所述氧化层上；
8.增益介质层，位于所述波导层内，用于构成使光场集中的狭缝结构；其中，所述波导层的折射率大于所述增益介质层的折射率。
9.在一些实施例中，所述波导层在平行于所述衬底表面的方向上，包括：狭缝波导区；
10.所述狭缝波导区位于所述波导层的光路延伸方向上的至少部分中间区域中；
11.所述增益介质层位于所述狭缝波导区所在的波导层内。
12.在一些实施例中，所述增益介质层的材料为掺铒增益材料。
13.在一些实施例中，所述狭缝波导区的所述波导层在所述光路延伸方向上的截面的底边宽度大于顶边宽度。
14.在一些实施例中，所述波导层在平行于所述衬底表面的方向上，还包括：两个阶梯区，分别在所述光路延伸方向上位于所述狭缝波导区的两端；
15.所述阶梯区的波导层为多层阶梯结构。
16.在一些实施例中，所述阶梯区的每一层阶梯结构的宽度沿远离所述狭缝波导区的方向逐渐减小。
17.在一些实施例中，所述阶梯区的各层阶梯结构的宽度，在垂直于衬底表面的方向由下至上逐层减小。
18.在一些实施例中，所述阶梯区的各层阶梯结构的长度，在垂直于衬底表面的方向由下至上逐层减小。
19.在一些实施例中，所述阶梯区包括：
20.片上波导区；所述片上波导区用于接收光信号或输出光信号；
21.位于所述片上波导区以及狭缝波导区之间的模式转换区；所述模式转换区用于在所述片上波导区以及狭缝波导区之间传输光信号。
22.在一些实施例中，所述片上光放大器，还包括：波导包层，覆盖在所述氧化层和波导层上。
23.另一方面，本技术实施例还提供了一种片上光放大器的制备方法，包括：
24.在衬底上形成氧化层；
25.形成覆盖所述氧化层的波导层；
26.在所述波导层中形成增益介质层，其中，所述增益介质层用于构成使光场集中的狭缝结构；所述波导层的折射率大于所述增益介质层的折射率。
27.在一些实施例中，所述形成覆盖所述氧化层的波导层，以及所述在所述波导层中形成增益介质层，包括：
28.形成覆盖所述氧化层的第一波导层；
29.在所述第一波导层上形成所述增益介质层；
30.形成覆盖所述增益介质层的第二波导层；其中，所述第一波导层和所述第二波导层构成所述波导层。
31.在一些实施例中，所述波导层在平行于所述衬底表面的方向上，包括：狭缝波导区；所述狭缝波导区位于所述波导层的光路延伸方向上的至少部分中间区域中；所述在所述第一波导层上形成所述增益介质层，包括：
32.在所述第一波导层上的所述狭缝波导区内形成沟槽结构，其中，所述沟槽结构的深度小于所述第一波导层的厚度；
33.在所述沟槽结构中形成所述增益介质层，其中，所述增益介质层的厚度小于或等于所述沟槽结构的深度。
34.在一些实施例中，所述片上光放大器的制备方法包括：
35.在所述波导层在所述光路延伸方向上位于所述狭缝结构的两端形成两个多层阶梯结构。
36.在一些实施例中，所述形成两个多层阶梯结构的方法包括：
37.在所述波导层的所述光路延伸方向上，形成宽度由中间向两端逐渐减小的梯形结构；其中，所述梯形结构的最大宽度小于或等于所述衬底宽度；
38.在所述狭缝结构两端的所述梯形结构处，从上往下依次逐层形成所述多层阶梯结构；其中，所述多层阶梯结构的宽度与长度，均在垂直于衬底表面的方向由下至上逐层减小。
39.在一些实施例中，所述片上光放大器的制备方法包括：
40.对所述波导层表面进行平坦化处理。
41.在一些实施例中，所述片上光放大器的制备方法还包括：
42.形成覆盖所述氧化层和波导层的波导包层。
43.通过本技术实施例所提供的片上光放大器，光信号经由所述片上波导区输入，再通过所述模式转换区的片上耦合，然后进入所述狭缝波导区实现片上放大。这样，一方面，具有较高折射率对比度的狭缝结构可以提升片上光放大器的泵浦吸收效率以及增益效果；另一方面，狭缝结构具有较好的交界面平坦度，可以降低传输损耗。
附图说明
44.图1为本技术实施例提供的一种片上光放大器的结构示意图；
45.图2为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的结构示意图；
46.图3为本技术实施例提供的一种片上光放大器的狭缝波导区在光路延伸方向的截面图；
47.图4为本技术实施例提供的一种片上光放大器的阶梯区所在波导层的结构示意图；
48.图5为本技术实施例提供的一种片上光放大器的模式转换区和片上波导区所在波导层的结构示意图；
49.图6为本技术实施例提供的一种片上光放大器的阶梯区的俯视图；
50.图7为本技术实施例提供的一种片上光放大器的阶梯区在光路延伸方向的截面图；
51.图8为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的结构示意图；
52.图9为本技术实施例提供的一种片上光放大器的制造方法的步骤流程图；
53.图10为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的制造方法的步骤流程图；
54.图11a-g为本技术实施例提供的一种片上光放大器的制造过程中的结构示意图；
55.图12为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的结构示意图；
56.图13为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的狭缝波导区在光路延伸方向的截面图；
57.图14为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的模式转换区所在的波导层的结构示意图；
58.图15为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的模式转换区的俯视图；
59.图16为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的光场传输变化的示意图；
60.图17为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器中狭缝结构的传输仿真图；
61.图18为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的制造方法的步骤流程图；
62.图19为本技术另一实施例提供的一种片上光放大器的制造过程中的结构示意图。
具体实施方式
63.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图更详细地描述本技术公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本技术的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本技术，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本技术，并且能够将本技术公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
64.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在一些实施例中，为了避免与本技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里可以不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
65.一般地，术语可以至少部分地从上下文中的使用来理解。例如，至少部分地取决于上下文，如本文中所用的术语“一个或多个”可以用于以单数意义描述任何特征、结构或特性，或者可以用于以复数意义描述特征、结构或特性的组合。类似地，诸如“一”或“所述”的
术语同样可以被理解为传达单数用法或传达复数用法，这至少部分地取决于上下文。另外，属于“基于”可以被理解为不一定旨在传达排他的一组因素，并且可以替代地允许存在不一定明确地描述的附加因素，这同样至少部分地取决于上下文。
66.除非另有定义，本文所使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本技术的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
67.为了彻底理解本技术，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本技术的技术方案。本技术的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本技术还可以具有其他实施方式。
68.如图1所示，本技术实施例提供了一种片上光放大器100，所述片上光放大器至少包括：衬底110；氧化层120，覆盖在所述衬底110上；波导层130，位于所述氧化层120上；增益介质层140，位于所述波导层130内。应当理解，图中为了使得各层结构均能被清晰示出，可能造成各层结构的尺寸比例关系与实际结构不符。
69.在本技术实施例中，所述衬底110可以为单质半导体材料衬底，例如为硅(si)衬底、锗(ge)衬底等，复合半导体材料衬底，例如为锗硅(sige)衬底等，或绝缘体上硅衬底(soi)、绝缘体上锗衬底(geoi)等。本技术实施例以硅衬底为例进行说明。
70.所述氧化层120位于波导层和衬底之间，可以减少从波导层130流向衬底110的泄露光，并且起到对整个芯片的保护作用。
71.所述波导层130可以为硅或氮化硅(sin)等波导材料。可选的，为了形成较高沉积质量的波导层，硅波导层厚度可以为220nm左右，氮化硅波导层厚度可以为300nm左右。
72.所述增益介质层140位于所述波导层130内。其中，波导层130的折射率大于增益介质层140的折射率，以形成由高折射率材料夹着中间低折射率增益材料的狭缝结构。
73.在一些实施例中，片上光放大器通常采用介质波导引导模式，然而，在介质波导结构中，较高的折射率差会使波导中的光场更强地被束缚在导模波导中，很难进入增益结构，影响着波导整体的增益效果。本技术实施例所提供的片上光放大器，利用狭缝结构的光场增强效应提高增益材料与光场的相互作用，以实现较高的泵浦吸收效率与单位增益。
74.在一些实施例中，如图2所示，所述波导层在平行于所述衬底表面的方向上，包括：狭缝波导区131。所述狭缝波导区位于所述波导层130的光路延伸方向上的至少部分中间区域中；所述增益介质层140位于所述狭缝波导区131所在的波导层内。
75.狭缝波导区131位于波导层130在光路延伸方向上的至少部分中间区域，狭缝波导区所在的波导层为上下两层平行的高折射率波导材料夹着中间低折射率增益材料的水平型狭缝结构。增益介质层140位于狭缝波导区131所在的波导层内。增益介质层140的厚度，以及狭缝波导区131内分别位于增益介质层上方和下方的波导层厚度可以根据狭缝中的模场分布和光场增强作用确定，以保证光场更多地集中在狭缝中，从而增加泵浦光和信号光在增益介质中的重叠面积，提高泵浦利用率。
76.在一些实施例中，所述增益介质层140可以为掺铒(er)增益材料。
77.为了在小尺寸波导结构上实现较大净增益的光学放大，增益介质层可以为具有较高的铒离子掺杂浓度以及较低的铒离子合作上转换系数(cooperative up-conversion coefficient)的增益材料。可选的，采用原子层沉积的掺铒氧化铝材料体系作为增益介质层，可提供较大的光活性铒浓度以及较好的薄膜质量；通过采用钇(y)或者镱(yb)共加入的办法分散铒离子，可以降低铒离子合作上转换系数。
78.为了形成较好的狭缝模式，可选的，增益介质层厚度可以控制在100nm左右，该厚度的原子层沉积退火质量较好且具有较高的增益性能。
79.在一些实施例中，如图3所示，所述狭缝波导区131所在的波导层在所述光路延伸方向上的截面为底边宽度大于顶边宽度的梯形。
80.水平型梯形狭缝结构具有较好的交界面平坦度，可以降低波导传输损耗。狭缝波导区梯形截面的高度和宽度可以由梯形波导的单模条件确定。可选的，利用有效折射率法和转移矩阵理论对梯形波导的模式进行分析，使增益介质层中的泵浦和信号模式具有较高的限制因子和泵浦-信号重叠因子，以提高增益效果，降低波导传输损耗。
81.在一些实施例中，如图4所示，所述波导层130在平行于所述衬底表面的方向上，还包括：两个阶梯区150，分别在所述光路延伸方向上位于所述狭缝波导区131的两端。
82.波导层130中的阶梯区150在光路延伸方向上位于狭缝波导区131的两端；阶梯区150所在的波导层为多层阶梯结构，具有较高的模场耦合效率。可选的，各层阶梯结构的厚度可以相同，以提高模斑变化的稳定性。此外，增加阶梯结构的层数，可以提高模斑变化的连续性。
83.在一些实施例中，如图5所示，所述波导层130中的阶梯区150还包括：模式转换区132和片上波导区133。
84.片上波导区133位于波导层130的左右两端，用于接收光信号或输出光信号；模式转换区132位于片上波导区133以及狭缝波导区131之间，模式转换区用于在片上波导区与狭缝波导区之间传输光信号，以及消除狭缝波导区与片上波导区间由于尺寸差异所产生的模式失配。
85.在一些实施例中，如图6所示，所述阶梯区的每一层阶梯结构的宽度沿远离所述狭缝波导区的方向逐渐减小。
86.图6为本技术实施例提供的一种片上光放大器的阶梯区的俯视图。阶梯区150的每一层阶梯结构的宽度，均由狭缝波导区131向片上波导区133的方向逐渐减小，以消除狭缝波导区与片上波导区间由于尺寸差异所产生的模式失配。
87.在一些实施例中，如图7所示，所述阶梯区的各层阶梯结构的宽度，在垂直于衬底表面的方向由下至上逐层减小。
88.图7为本技术实施例提供的一种片上光放大器的阶梯区在光路延伸方向的截面图，所述阶梯区150的各层阶梯结构的宽度，均由底层向顶层逐层减小。其中，底层阶梯结构的最小宽度与片上波导区的宽度相同，顶层阶梯结构的宽度与狭缝波导区上表面的宽度相同，从而提高片上波导区与狭缝波导区间的耦合效率。
89.在一些实施例中，所述阶梯区的各层阶梯结构的长度，在垂直于衬底表面的方向由下至上逐层减小。
90.继续参见图5，阶梯区150的各层阶梯结构的长度，均由底层向顶层逐层减小，从而
使得波导层130的厚度在光路延伸方向上，由片上波导区133向狭缝波导区131逐层增加，以消除狭缝波导区与片上波导区间由于尺寸差异所产生的模式失配。
91.在一些实施例中，如图8所示，所述片上光放大器还可以包括波导包层160，覆盖在氧化层120和波导层130上。
92.波导包层可以为聚合物、氧化物等材料，可选的，采用氧化硅作为波导包层，以保护波导层，避免波导层接触污染物，增加结构强度。
93.如图9所示，本技术实施例提供了一种片上光放大器的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
94.步骤s10、在衬底上形成氧化层；
95.步骤s20、形成覆盖所述氧化层的波导层；
96.步骤s30、在所述波导层中形成增益介质层，其中，所述增益介质层用于构成使光场集中的狭缝结构；所述波导层的折射率大于所述增益介质层的折射率。
97.在本技术实施例中，所述衬底110可以为单质半导体材料衬底，例如为硅(si)衬底、锗(ge)衬底等，复合半导体材料衬底，例如为锗硅(sige)衬底等，或绝缘体上硅衬底(soi)、绝缘体上锗衬底(geoi)等。本技术实施例以硅衬底为例进行说明。
98.在一些实施例中，可以通过在硅衬底上热氧化一层厚的二氧化硅膜，形成所述氧化层120。
99.在一些实施例中，可以通过沉积的方式形成覆盖所述氧化层的波导层。所述波导层130可以为硅或氮化硅(sin)等波导材料。这里的沉积工艺包括但不限于化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)、原子层沉积(atomic layer deposition，ald)或物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)等。
100.在一些实施例中，增益介质层的厚度可以根据狭缝中的模场分布和光场增强作用确定，以保证光场更多地集中在狭缝中，从而增加泵浦光和信号光在增益介质中的重叠面积，提高泵浦利用率。为了形成较好的狭缝模式，可选的，增益介质层厚度可以控制在100nm左右，该厚度的原子层沉积退火质量较好且具有较高的增益性能。
101.在一些实施例中，增益介质层可以采用原子层沉积的掺铒氧化铝材料体系，以提供较大的光活性铒浓度以及较好的薄膜质量；此外，通过采用钇(y)或者镱(yb)共加入的办法分散铒离子，可以降低铒离子合作上转换系数，实现较大净增益的光学放大。
102.在一些实施例中，如图10所示，所述形成覆盖所述氧化层的波导层，以及所述在所述波导层中形成增益介质层，包括：
103.s201、形成覆盖所述氧化层的第一波导层；
104.s202、在所述第一波导层上形成所述增益介质层；
105.s203、形成覆盖所述增益介质层的第二波导层；其中，所述第一波导层和所述第二波导层构成所述波导层。
106.如图11a所示，在氧化层120上可以通过沉积的方式形成第一波导层1301，其中，第一波导层1301可以为硅或氮化硅(sin)等波导材料。图11b和11c示出了在第一波导层上形成增益介质层140的过程，包括形成沟槽结构1302和沉积增益介质层140。如图11d所示为通过沉积的方式形成覆盖增益介质层的第二波导层1303，其中，第二波导层的材料与第一波导层的材料相同，以形成较好的狭缝结构。
107.下面，结合图11a-11g，对本技术实施例提供的片上光放大器的制备过程进行详细说明。
108.参考图11a，利用沉积工艺在所述氧化层120上覆盖第一波导层1301。
109.在一些实施例中，参考图11b，所述波导层在平行于所述衬底表面的方向上，包括：狭缝波导区；所述狭缝波导区位于所述波导层的光路延伸方向上的至少部分中间区域中；所述在所述第一波导层上形成所述增益介质层，包括：
110.在所述第一波导层上的所述狭缝波导区内形成沟槽结构，其中，所述沟槽结构的深度小于所述第一波导层的厚度；
111.在所述沟槽结构中形成所述增益介质层，其中，所述增益介质层的厚度小于或等于所述沟槽结构的深度。
112.在所述第一波导层1301上的狭缝波导区131内形成沟槽结构1302，其中，所述沟槽结构1302的深度可以小于所述第一波导层1301的厚度。可选的，可以通过刻蚀(etching)工艺形成所述沟槽结构1302。通常，刻蚀工艺可以分为干法刻蚀(dry etching)与湿法刻蚀(wet etching)。其中，干法刻蚀可以包括离子铣刻蚀(ion neam milling etching)、等离子体刻蚀(plasma etching)、反应离子刻蚀(reactive ion etching)或激光烧蚀(laser ablation)等；湿法刻蚀是利用溶剂或溶液来进行刻蚀，例如酸碱溶液。
113.参考图11c，在所述沟槽结构1302中形成所述增益介质层140，其中，所述增益介质层140的厚度小于或等于所述沟槽结构1302的深度。可选的，可以通过原子层沉积、磁控溅射或激光沉积等工艺在所述沟槽结构1302中沉积增益材料层。此外，可以使用薄掩膜覆盖波导层，以实现在沟槽结构区域选择性沉积增益介质层140。
114.参考图11d，在所述增益介质层140上继续沉积第二波导层1303。可选的，可以使用薄掩膜覆盖波导层，以实现在沟槽结构区域进行选择性沉积第二波导层1303。
115.在一些实施例中，所述片上光放大器的制造方法，还包括：在所述波导层在所述光路延伸方向上位于所述狭缝结构的两端形成两个多层阶梯结构。
116.两个多层阶梯结构分别在光路延伸方向上位于波导层130中狭缝结构的两端。可选的，如图11e和图11f所示，可以采用刻蚀的方法从上至下逐层形成多层阶梯结构。各层阶梯结构的厚度可以相同，以提高光场模斑变化的稳定性。此外，增加阶梯结构的层数，可以提高光场模斑变化的连续性。
117.在一些实施例中，如图11e与图11f，所述片上光放大器的制造方法，还包括：
118.在所述波导层的所述光路延伸方向上，形成宽度由中间向两端逐渐减小的梯形结构；其中，所述梯形结构的最大宽度小于或等于所述衬底宽度；
119.在所述狭缝结构两端的所述梯形结构处，从上往下依次逐层形成所述多层阶梯结构；其中，所述多层阶梯结构的宽度与长度，均在垂直于衬底表面的方向由下至上逐层减小。
120.参考图11e，在波导层130的光路延伸方向上，形成宽度由中间狭缝波导区向两端片上波导区逐渐减小的梯形结构；其中，所述梯形结构的最大宽度小于或等于所述衬底宽度。可选的，利用离子铣刻蚀方法形成波导层130的梯形结构。其中，刻蚀的宽度与深度可以由刻蚀掩膜图形线宽以及最大刻蚀深度确定。由于波导制备工艺中刻蚀速度的各向异性，波导侧壁在工艺加工后并不垂直，因此梯形结构由工艺刻蚀倾角所形成，常见的刻蚀角度
可以为80
°
。
121.参考图11f，在波导层130中狭缝结构两端的梯形结构处，从上往下依次逐层形成多层阶梯结构；其中，所述多层阶梯结构的宽度与长度，均在垂直于衬底表面的方向由下至上逐层减小，以提高耦合效率，减少片上光放大器中由于尺寸差异产生的模式失配。可选的，利用离子铣刻蚀方法依次逐层形成所述多层阶梯结构。其中，刻蚀的宽度与深度由刻蚀掩膜图形线宽以及最大刻蚀深度确定。
122.在一些实施例中，如图11g所示，所述片上光放大器的制造方法，还包括：
123.形成覆盖所述氧化层和波导层的波导包层。
124.可选的，可以采用沉积的方法，在氧化层120和波导层130上方形成波导包层160。波导包层可以为氧化硅等材料，以保护波导层，避免波导层接触污染物，增加结构强度。
125.在一些实施例中，所述片上光放大器的制造方法，还包括：
126.对所述波导层表面进行平坦化处理。
127.可选的，采用化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)对波导层表面进行平坦化处理，以实现较好的交界面的平坦度，减小传输损耗。
128.如图12所示，本技术实施例提供了另一种可选的片上光放大器200，包括：衬底210；氧化层220，覆盖在所述衬底210上；波导层230，位于所述氧化层220上；其中，所述波导层230包括：狭缝波导区231、模式转换区232以及片上波导区233。光信号经由所述片上波导区输入进光放大器中，并通过所述模式转换区耦合进入所述狭缝波导区，并利用所述狭缝波导区的光场增强作用实现片上放大。
129.在一些实施例中，所述片上波导区233可以为硅或氮化硅材料。
130.在一些实施例中，如图13所示，所述狭缝波导区231为水平型狭缝结构，包括：增益介质层240，以及分别位于所述增益介质层上方和下方的互相平行的两层波导层。所述波导层可以为硅或氮化硅等波导材料，与片上波导区的材料相同。所述增益介质层为掺铒增益材料，所述增益介质层的折射率小于所述波导层的折射率，二者可以形成较高的折射率对比度，以形成较好的狭缝模式。对于在狭缝波导区中的掺铒增益材料，增强的电场和高限制因子可以提高光和物质相互作用。由于珀塞尔作用，狭缝波导区的局域态密度也会增加，进而可以提高激发态铒离子的辐射速率，实现较高泵浦吸收率与单位增益。水平型狭缝结构具有良好的交界面平坦度，损耗相对较小，且狭缝结构的形成不受光刻线宽限制，在设计上更加灵活。
131.为了在小尺寸波导结构上实现较大净增益光学放大，所述增益介质层需具有较高的铒离子掺杂浓度、较小的传输损耗以及较低的铒离子合作上转换系数。可选的，采用原子层沉积的掺铒氧化铝材料体系作为增益介质层，可提供较大的光活性铒浓度以及较好的薄膜质量。此外，通过采用钇(y)或者镱(yb)共加入的办法分散铒离子，降低铒离子合作上转换系数。
132.在一些实施例中，所述增益介质层的厚度以及所述狭缝波导区内分别位于增益介质层上方和下方的高折射率材料层的厚度，可以根据狭缝中的模场分布和光场增强作用确定，使光场更多地集中在增益介质层中，从而增加泵浦光和信号光在增益介质中的重叠面积，提高泵浦利用率。可选的，为了获得较好的沉积工艺效果，硅材料层厚度可基于220nm，氮化硅材料层厚度可基于300nm；增益介质层厚度可以控制在100nm左右，该厚度的原子层
沉积退火质量较好且具有较好的增益性能。
133.在一些实施例中，由于波导制备工艺中刻蚀速度的各向异性，波导侧壁在工艺加工后并不垂直，所述狭缝波导区波导的梯形截面由工艺刻蚀倾角所形成，可选的，常见的刻蚀角度可以为80
°
。所述狭缝波导区梯形截面的高度和宽度可以根据梯形波导的单模条件确定，结合有效折射率法和转移矩阵理论对梯形波导的模式进行分析，使增益介质层中的泵浦和信号模式具有更高的限制因子，以及较高地泵浦-信号重叠因子，以提供足够的增益以及较低的波导损耗。
134.在一些实施例中，如图14所示，所述模式转换区为多层阶梯结构，所述模式转换区波导层的高度由输入的片上波导区波导层高度逐渐增大至狭缝波导区波导层的高度。本技术实施例以所述模式转换区为三层阶梯结构为例，在垂直于衬底表面的方向由下至上，依次为一级阶梯结构、二级阶梯结构和三级阶梯结构，所述一级阶梯结构的厚度与片上波导区波导层的厚度相同。
135.图15示出了波导层130中模式转换区的局部俯视图，可选的，所述各层阶梯结构的宽度随着靠近片上波导区的方向逐渐减小，且各层阶梯结构前端的宽度由下至上逐层变小。各层阶梯结构的尺寸参数可以依据层间模斑转换效率确定。可选的，各层阶梯结构的厚度可以相同，确保模斑变化的稳定性，且随着阶梯结构层数的增加，模斑变化的连续性增加，最终多层阶梯结构的最大厚度与水平狭缝区波导层厚度保持一致。传输方向上，模式转换区在光信号传输方向上由片上波导区的宽度向狭缝波导区的宽度逐渐变大。光场模斑在所述模式转换区中由下至上地逐层扩大，光场模斑传输变化如图16所示。最终，光场进入狭缝波导区中形成狭缝模式产生放大。参考图17，本技术实施例中光场可在所述狭缝波导区中高效传输，且狭缝波导区中的光场增强效果可提升泵浦吸收与单位增益。除此之外，本技术实施例提供的片上光放大器还具有尺寸小的优势。
136.如图18和图19所示，本技术实施例还提供了一种可选的片上光放大器的制备方法：
137.s301、在硅衬底上热氧化形成一层厚的二氧化硅氧化层，以减少流向衬底的泄漏光，并起到对整个芯片的保护作用，如图19(a)；
138.s302、在硅衬底或氧化层上采用化学气相沉积方法形成第一波导层，所述第一波导层预设厚度为狭缝波导区总厚度，如图19(b)；
139.s303、在所述第一波导层远离所述衬底的表面上利用离子铣刻蚀技术形成沟槽结构，定义出所述狭缝波导区，如图19(c)；
140.s304、利用原子层沉积、磁控溅射或激光沉积等工艺在沟槽结构中选择性沉积预设厚度的增益介质层。可选的，可以使用薄掩模覆盖第一波导层，实现区域选择性沉积，如图19(d)；
141.s305、在增益介质层上方继续采用化学气相沉积方法沉积第二波导层。可选的，可以使用薄掩模覆盖第一波导层，实现区域选择性沉积。可选的，在形成第二波导层后，可以对第一和第二波导层的表面进行平坦化处理，如图19(e)；
142.s306、利用离子铣刻蚀技术对波导层进行刻蚀，在光路延伸方向上形成宽度由中间向两端逐渐减小的梯形结构，所述梯形结构的最大宽度小于所述衬底的宽度，如图19(f)；
143.s307、利用离子铣刻蚀技术，依据掩模版图形在模式转换区域刻蚀预设深度的波导层，形成顶层阶梯结构，如图19(g)；
144.s308、重复步骤s307，在模式转换区依次逐层刻蚀形成多层阶梯结构，最后底层阶梯结构的厚度为片上波导区波导层的厚度，如图19(h)；
145.s309、利用化学气相沉积方法，在所述波导层和所述氧化层上方形成波导包层，如图19(i)。
146.所述制作方法中，所述波导结构以及各层阶梯结构的刻蚀宽度与深度由刻蚀掩膜图形线宽以及最大刻蚀深度确定。
147.在一些实施例中，为了使增益介质层中的铒离子形成离子数反转，可选的，可以采用光泵浦的方式。本技术实施例提供的片上光放大器的光泵浦耦合，可以选择三种方式：空间泵浦、侧向波导耦合、以及泵浦键合。
148.需要说明的是，本技术所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。
149.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。