稀土掺杂的氧化镓波导放大器、制备方法及平面波导

本发明涉及波导放大器领域，尤其涉及一种稀土掺杂的氧化镓波导放大器、制备方法及平面波导。

背景技术：

1、光学信号传输因其具有带宽大、传输速度快、无电磁干扰、易于保密以及功耗小等巨大优点，可成为实现海量数据高速传输的一种主要途径。这样的海量数据高速传输需要达tbit/s(1tbit/s＝1024gbit/s)超快速率的全光信息处理，并且未来还要将这样的高速全光信息处理过程在高度集成的、小体积以及低功耗的系统中完成。在硅电子学发展起来的成熟的标准化半导体处理工艺基础上所实现的硅光子学技术已经能够将诸如光滤波器、光学多路复用器、高速光学调制器、光开关以及光探测器等各式各样的光学元件集成在硅基片上，从而为高速信号处理提供集成、低功耗以及低成本的解决方案。在硅基片上集成各种各样光学元件中，最具挑战性的一个问题是如何在硅基片上集成光学放大器和片上光源，以形成硅基光波导放大器。掺铒(er3+)平面光波导放大器成为形成硅基光波导放大器以解决上述挑战的一种新途径。

2、掺铒平面光波导放大器(erbium-doped waveguide amplifier,edwa)就是在材料中掺入一定浓度的稀土元素铒，使得掺入稀土元素铒的材料以薄膜形式沉积在硅片上，并采用微加工手段制备出平面光学波导，从而利用铒元素丰富的能级结构发出1.55μm附近的光，实现通讯波段的信号放大，且这种发光基本不受周围温度的影响。其中，稀土能级之间的跃迁一般分为受激辐射跃迁和自发辐射跃迁；受激辐射跃迁是处于高能级的原子受到诱发的光子激发后，跃迁到低能级时辐射出光子；自发辐射跃迁是激发态的原子在没有任何外界作用下自发地从高能级(激发态)跃迁到低能级(基态)时辐射出一个光子的过程。目前，稀土离子的发光一般都是受激辐射跃迁引起的。掺铒平面波导放大器实现的基本功能是光学增益，在泵浦激光的作用下，将铒离子从基态激发到激发态，实现粒子数反转，受激发射1550nm带宽附近光子以实现光放大功能。

3、目前，主要有稀土掺杂的硫系玻璃、氧化铝以及氧化碲等料沉积在硅片上用于制备得到稀土掺杂的平面波导放大器。

4、不过，现有的稀土掺杂的平面波导放大器存在不足：现有稀土掺杂的平面波导放大器的最好光放大增益约为20db/cm，这个光放大增益数值尚低于目前非集成的商用的掺铒光纤放大器的增益，即光学放大增益较低，并且还存在掺杂浓度不够高、放大增益带宽仅局限在通信c和l波段(1550～1650nm)等带宽受限问题。

5、因此，如何开发新的高浓度稀土掺杂的波导放大器，以提高光学放大增益和带宽，成为当前波导放大器领域亟待解决的一个关键问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种具有更高光学放大增益和更大带宽的稀土掺杂的氧化镓波导放大器。

2、本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种上述稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法。

3、本发明所要解决的第三个技术问题是针对上述现有技术提供另外一种稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法。

4、本发明所要解决的第四个技术问题是针对上述现有技术提供一种平面波导。

5、本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：稀土掺杂的氧化镓波导放大器，其特征在于，应用掺杂有稀土离子的氧化镓薄膜作为波导层。

6、改进地，在该发明中，所述稀土掺杂的氧化镓波导放大器包括：

7、光学基片，其上方沉积有所述的波导层；

8、光限制层，刻蚀有波导结构且该光限制层对波导层做出光限制。

9、作为光限制层在上述氧化镓波导放大器的一种沉积位置，可选择地，所述光限制层直接沉积于所述波导层的上方。

10、作为光限制层在上述氧化镓波导放大器的另外一种沉积位置，可选择地，所述光限制层直接沉积于所述光学基片上且该光限制层的波导结构被波导层包裹。

11、需要说明的是，针对光限制层的上述两种沉积位置，分别对应得到两种不同结构的氧化镓波导放大器。

12、作为光学基片的可选形式，在所述稀土掺杂的氧化镓波导放大器中，所述光学基片为硅片。

13、作为光限制层的可选形式，在所述稀土掺杂的氧化镓波导放大器中，所述光限制层为未掺杂的氮化硅薄膜。

14、本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

15、在光学基片上沉积掺杂有稀土的氧化镓薄膜；

16、在已沉积的氧化镓薄膜上沉积未掺杂的光限制层；

17、以及，在已沉积的光限制层上刻蚀波导结构。

18、具体地，在上述稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法中，所述光限制层是未掺杂的氮化硅薄膜。

19、可选择地，在上述稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法中，所述光学基片为硅片。

20、本发明解决第三个技术问题所采用的技术方案为：稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

21、在光学基片上沉积未掺杂的光限制层；

22、在已沉积的光限制层上刻蚀波导结构；

23、以及，在刻蚀所得波导结构的表面沉积掺杂有稀土的氧化镓薄膜，以形成波导层。

24、具体地，在上述稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法中，所述光限制层是未掺杂的氮化硅薄膜。

25、本发明解决第四个技术问题所采用的技术方案为：平面波导，其特征在于，应用氧化镓材料作为波导的光传输层。

26、与现有技术相比，本发明的优点在于：该发明中的稀土掺杂的氧化镓波导放大器，通过将掺杂有稀土离子的氧化镓作为波导层沉积到光学基片上后，并利用刻蚀有波导结构且未掺杂的光限制层对该波导层做出光限制，这样不需要直接在掺杂有稀土离子的氧化镓上刻蚀波导，而是改变常规思路，在易于刻蚀的未掺杂的光限制层上刻蚀有波导结构，如此，实现了利用掺杂稀土的氧化镓作为波导层来提供光放大效果以及利用未掺杂的光限制层对波导层进行光限制，从而最大限度地增强了光与有源介质之间的相关作用，满足了波导放大器的放大性能需求。

技术特征：

1.稀土掺杂的氧化镓波导放大器，其特征在于，应用掺杂有稀土离子的氧化镓薄膜作为波导层(2)。

2.根据权利要求1所述的稀土掺杂的氧化镓波导放大器，其特征在于，包括：

3.根据权利要求2所述的稀土掺杂的氧化镓波导放大器，其特征在于，所述光限制层(3)直接沉积于所述波导层(2)的上方。

4.根据权利要求2所述的稀土掺杂的氧化镓波导放大器，其特征在于，所述光限制层(3)直接沉积于所述光学基片(1)上且该光限制层(3)的波导结构被波导层(2)包裹。

5.根据权利要求1～4任一项所述的稀土掺杂的氧化镓波导放大器，其特征在于，所述光学基片(1)为硅片。

6.根据权利要求1～4任一项所述的稀土掺杂的氧化镓波导放大器，其特征在于，所述光限制层(3)为未掺杂的氮化硅薄膜。

7.一种权利要求3所述稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.一种权利要求4所述稀土掺杂的氧化镓波导放大器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.平面波导，其特征在于，应用氧化镓材料作为波导的光传输层。

技术总结
本发明涉及一种稀土掺杂的氧化镓波导放大器、制备方法及平面波导，该氧化镓波导放大器应用掺杂有稀土离子的氧化镓作为波导层，以在将掺杂有稀土离子的氧化镓作为波导层沉积到光学基片上后，利用刻蚀有波导结构且未掺杂的光限制层对该波导层做出光限制，这样不需要直接在掺杂有稀土离子的氧化镓上刻蚀波导，而是改变常规思路，在易于刻蚀的未掺杂的光限制层上刻蚀有波导结构，如此，实现了利用未掺杂的光限制层提供光限制以及利用掺杂稀土的氧化镓作为波导层来提供光放大效果，从而最大限度地增强光与有源介质之间的相关作用，满足了光器件的放大性能需求。

技术研发人员：王荣平,严昆仑,杨振,张政
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15