高增益单晶铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线光波导放大器研究

High gain, small size, integrated Erbium Doped Waveguide Amplifier has been the difficulty in international Silicon Photonics areas. In the support of the National Natural Science Foundation finished in 2012, we focused on the research of high erbium concentration erbium silicate compound thin film waveguide amplifiers. It turned out that its large waveguide transmission loss inhibited the possibility of achieving high gain. In order to solve the problem mentioned above, this project is planned to use single crystal erbium ytterbium/yttrium silicate compound nanowires as the waveguide material to reduce the transmission loss due to fewer defects in single crystal nanowire. In addition, the quantum confinement effect existed in single crystal nanowire can improve the emission lifetime of the erbium, so that it will be much easier to achieve the erbium ion population inversion and net gain at smaller pump power. Specifically, through the study of erbium ytterbium/yttrium silicate compounds nanowire morphology, structure, composition, and luminescence characteristics, high-quality, high-purity, low transmission loss erbium ytterbium/yttrium silicate compound nanowire waveguides will be obtained. With further research on the effects that the erbium ion concentration, the waveguide dimension, the waveguide length, the pump power, the signal power and other parameters on the optical gain of nanowires waveguide, we intend to develop a high gain erbium ytterbium/yttrium silicate compound nanowire optical waveguide amplifier.

高增益、小尺寸、集成用掺铒光波导放大器一直是国际硅基光电子学研究领域中的难点。申请人在2012年结题的国家自然科学青年基金资助下，开展了高铒浓度铒硅酸盐化合物薄膜光波导放大器的研究，但在研究中发现刻蚀后的波导传输损耗很大，限制其获得更高的增益。本项目计划采用单晶铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线作为波导材料，利用单晶纳米线缺陷少的优点降低波导的传输损耗；另外，利用纳米量子限制效应提高铒的发光寿命，进而只需较小的泵浦功率就能实现铒的粒子数反转和净增益。具体通过对铒镱/钇硅酸盐化合物纳米材料形貌、结构、成分以及发光特性的研究，首先获得高质量、高纯度、低传输损耗的铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线波导；进一步研究纳米线波导光增益与铒离子浓度、波导截面尺寸、波导长度、泵浦功率以及信号功率等参数的关系，最终研制出高增益单晶铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线光波导放大器。

目前，摩尔定律越来越接近极限，将微电子和光电子结合起来，开发硅基大规模光电子集成技术已经成为信息技术发展的必然和业界的普遍共识。硅基光电子器件包括很多种，其中硅基光源是重中之重。虽然硅是间接带隙半导体材料，导致硅的发光效率很低，但人们一直没有放弃制备硅基光源的努力。硅基光源包括硅基光波导放大器和激光器，其中硅基光波导放大器是激光器的基础，是硅基光电子集成回路中不可或缺的器件，如果光波导放大器有足够高的净增益，在光波导放大器的两端设计合适的谐振腔就可以获得光泵的激光。本项目采用单晶铒镱/钇硅酸盐化合物纳米线作为波导材料，利用单晶纳米线缺陷少的优点降低波导的传输损耗；国际上首次观察到了室温的铒镱/钇硅酸盐化合物上转换激光；进一步通过磁控溅射方法可控制备出高质量、高纯度、具有强光致发光特性、低传输损耗的铒镱/钇硅酸盐化合物薄膜。基于高增益铒硅酸盐化合物薄膜材料，获得200dB/cm的增益的光波导放大器和3mW低阈值激光器，比目前国际上报道的结果低5倍。项目执行期间，共发表11篇期刊论文，国际会议邀请报告10次，英文专著1本，发明专利4项。基于此项目的研究基础，申请人又申请到了国家自然科学基金委的重点项目，研究硅基规模集成的光波导放大器和激光器，将解决困扰硅基光电子学多年的的硅基光源问题。