面向规模集成的硅基高增益光波导放大器及激光器研究

We will develop an integrated high gain silicon based optical waveguide amplifiers and lasers based on the long-term research in Er-doped silicon luminescent material optimization, device design, process preparation, device coupled package, and chip measurement. The two key technology as follows. (1) High gain Er-Yb/Y silicate compound nanowire waveguide amplifiers and lasers. Studying the growth mechanism of the high-gain, low-loss single-crystal Er-Yb/Y silicate compound nanowires, investigating the effect of micro-nano sized resonance cavity on a single-mode near-infrared laser, and obtaining a single-mode laser lasing. (2) Si based high gain optical waveguide amplifiers and lasers for the large scale integration. We will study the high gain Er-Yb/Y silicate compound film preparation method, and study the low-loss waveguide amplifier structure based on the optimized composition and structure of high gain nanowire material. We will investigate the effects of different DFB and DBR grating structure parameters on the laser linewidth, wavelength, and output power. We will prepare a Si based high gain optical waveguide amplifiers using standard microelectronic process.

基于申请团队在硅基掺铒发光材料优化、器件设计、工艺制备、器件耦合封装、芯片测试等方面拥有的长期工作积累，本项目将研制面向规模集成的硅基高增益光波导放大器和和激光器。计划开展两大方面研究：(1)化学气相沉积方法制备高增益铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线光波导放大器和激光器：研究高增益、低损耗的铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线的生长机理，研究微纳尺寸的谐振腔对近红外光的单模激光激射的影响，获得单模激光激射；(2)微电子工艺制备硅基高增益光波导放大器和激光器：借鉴优化的高增益纳米线材料的组分和结构，研究硅基高增益光波导放大器薄膜的制备方法，研究低损耗的光波导放大器结构；研究不同DFB和DBR光栅结构参数对激光器的线宽、波长、输出功率的影响；采用标准的微电子工艺制备面向规模集成的硅基高增益光波导放大器和激光器,实现10dB/cm的增益，mW以上激光出光功率。

硅基光电子集成技术以其具有高速、宽带的优点，同时兼容CMOS工艺的集成能力，正日益成为光电子、微波光子等领域的研究热点。由于硅是间接间隙材料，难以制备高质量光源，且硅基波导及集成过程中光损耗巨大，因此，研究面向规模集成的高效硅基波导放大器和激光器成为硅基光电子集成技术的关键，将解决硅基光电子技术的集成瓶颈，为我国未来硅基光电子前沿领域发展及产业市场扩张打下坚实的基础。.项目组制备了高质量、高纯度、尺寸均一、具有强光致发光特性、低传输损耗的单晶铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线，最大增益为20dB/mm；观察到单根铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线的激射现象，发光波长980nm；提出一种低温制备硅基高增益光波导放大器及激光器的方法，使加工温度降低到600℃，满足大规模硅基集成光电子芯片制备的要求，同时设计了满足规模集成需求的硅基光波导放大器，增益最大为7dB/mm；采用标准的微电子工艺制备硅基高增益光波导放大器和激光器。通过优化刻蚀工艺参数，降低了波导侧壁粗糙度，获得低损耗硅基光波导结构，研制出发光波长1.5μm、泵浦阈值20μJ/cm2的垂直面发射的光泵激光器；提出多种新型硅基DBR、DFB激光器结构，发光波长1.5μm、输出功率最高能够达到50mW以上，泵浦阈值3.3mW、泵浦光转换效率最高能达到50%；同时，提出了一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器及其制备方法，实现了电驱动1.5μm波段的波导放大器，最大饱和增益4.3dB/mm；研制出宽频带、大功率、低噪声的DFB光源组件及宽带直调半导体激光器，在某卫星地面站数据传输光端机等重要研制任务中替代国外同类型产品，带宽、RIN噪声、功率等主要性能指标完全满足光端机总体系统应用要求。.本项目的实施在学术界和产业界都将产生重要的影响，成果将被广泛应用于5G通信、数据中心、物联网、智慧城市等领域，对推动我国信息化发展、提升核心科技竞争力具有重大意义。