硅光子学集成用Er silicate光波导放大器应用基础研究

采用溶胶-凝胶法制备强光致发光特性、结晶良好的Er silicate薄膜材料，优化工艺参数，提出Er silicate的生长机理，研究Er silicate固相结构、相变以及缺陷对Er3+光致发光特性的影响。利用有限元方法分析Er silicate光波导放大器内部的电磁场分布，通过速率方程和传输方程数值模拟Er silicate光波导放大器光增益与Er3+浓度、波导长度、泵浦功率和信号功率的关系，设计出最优的Er silicate光波导放大器结构。采用EBL电子束刻蚀机、FIB聚焦离子束刻蚀机和RIE反应离子刻蚀机等微加工设备，制备出Er silicate光波导放大器，优化出制备Er silicate光波导放大器的微加工工艺参数，研制出在泵浦功率30mW以下，信号功率1mW以下，满足硅光子学集成用大于10dB/1mm净增益的Er silicate光波导放大器。

高增益的掺铒光波导放大器是硅基光电子学中的重要研究内容，它可以放大微弱的光信号，是硅基光电集成最终实现的关键器件之一。本课题针对传统掺杂方法铒掺杂浓度低的问题，采用新型的铒硅酸盐化合物作为光波导放大器的候选材料开展科学研究，该化合物的铒浓度比传统方法提高1-2个数量级。具体研究了铒硅酸盐，铒镱硅酸盐、铒钇硅酸盐这些高铒化合物材料的结构、光学和电学特性，通过优化铒、镱、钇的原子浓度，获得2个数量级的光致发光增强，并探索铒镱之间的能量转换机理，首次观察到了铒镱硅酸盐化合物中铒到镱的背转移过程。理论计算了铒镱/钇硅酸盐化合物的光增益特性，通过优化铒离子浓度可以获得10dB/mm以上的光增益，比已有的光波导放大器产品高两个数量级。在材料成分和结构优化的基础上制备了三种铒镱/钇硅酸盐化合物光波导放大器，分别是条形、沟道和混合波导结构，都观察到了光放大，并实现了1.9dB的内增益。在光放大的基础上，首次获得铒镱/钇硅酸盐化合物的电致发光，发光效率0.1%，发光功率0.1μW，在理论上预测这种材料可以获得电泵浦激光的可能性，为最终实现硅基光电集成用的通信波段硅基光波导放大器和激光器提供了坚实的基础。 . 近3年在该项目的资助下，共发表19篇论文，其中13篇期刊论文，6篇国际会议论文，SCI文章12篇，包括3篇Applied Physic Letters，1篇Optics Letters，1篇Journal of Applied Physics，1篇IEEE Photonics Technology Letters，1篇Journal of Physics D: Applied Physics，1篇Optics Communication和3篇Optical Materials，具体成果包括：.(1) 优化铒镱/钇硅酸盐化合物材料的成分和结构，获得2个数量级的光增强；.(2) 在国际上首次制备出铒镱硅酸盐条形波导放大器、沟道(slot)波导放大器和混合波导放大器，观察到5dB/cm以上的光放大；.(3) 在国际上首次获得铒镱/钇硅酸盐化合物的电致发光，发光效率0.1%，发光功率0.1μW，并在理论上证明这种材料可以获得电泵浦激光的可能性。