[发明专利]用于硅基光波导放大器和激光器的增益材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种用于硅基光波导放大器和激光器的增益材料及其制备方法，所述增益材料为掺杂了铋元素的铒化合物。本发明通过在传统增益材料铒化合物中引入元素铋，可以有效降低铒化合物结晶所需的退火温度，使得其能在较低退火温度下实现发光，更有利于片上集成，而且降低增益材料的退火温度，有利于提升增益材料的质量，降低材料表面粗糙度，从而减小传输损耗，也更有利于与传统CMOS工艺兼容。同时，引入元素铋也能提升增益材料的光致发光强度，进一步提升增益系数。即本发明发现了一种低制备温度、高发光强度的增益材料，更有利于实现硅基光波导放大器和激光器，为硅基光电子技术的发展起到了推动作用。

技术领域

本发明涉及硅基光电子技术领域，尤其涉及一种用于硅基光波导放大器和激光器的增益材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术按照摩尔定律飞速发展，越来越多的器件集成到芯片上。然而，由于器件尺寸不断减小，量子效应越来越明显，基于电通信的芯片漏电流越来越大，导致微电子技术逐渐趋于瓶颈；而相比于电通信，光通信具有传输速率快、带宽大、抗干扰能力强等优点。将微电子技术与光通信技术相结合，在片上实现集成光通信的硅基光电子技术，在通信领域起着越来越重要的作用。

随着硅基光电子技术的发展，越来越多的器件，如调制器、光开关、波分复用器等集成到硅基平台上。然而，随着片上集成度的逐步提高，器件间的传输损耗、耦合损耗越来越大，亟需片上波导放大器来弥补损耗。然而，由于硅是间接带隙材料，发光效率低，如何实现片上放大器是目前亟待解决的问题。

铒作为稀土元素，拥有丰富的能级结构。采用980nm或者1480nm 的激光器作为泵浦，能够实现1.5um波段的光放大。由于其电子跃迁对应于铒离子能级内部的4f-4f跃迁，受到外部能级5s5p的保护，因而其辐射跃迁对应的峰值波长几乎不受基体材料影响。同时，其发光寿命长、信号串扰小、增益带宽大。因而，掺铒波导放大器、激光器是目前片上放大器、激光器的主要解决方法之一。然而，由于受到铒在固体中固溶度的限制，一般铒元素的含量较低，最高只能达到 10²⁰cm^-3，因而目前的掺铒波导放大器、激光器难以在较短的尺寸内实现较高的片上增益。

针对上述问题，研究人员又提出以铒化合物作为增益介质。铒元素作为化合物的阳离子存在，因而不受固溶度的限制，大大提高了铒离子的浓度，能够达到10²²cm^-3。然而，铒化合物特别是铒硅酸盐材料结晶温度较高，需要在1000℃以上退火才能形成晶格结构，激活铒离子，不利于与其他光电子器件进行集成；而且，铒化合物的发光强度也有待进一步优化提升。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于硅基光波导放大器和激光器的增益材料及其制备方法。采用980nm激光器作为泵浦，可以实现高片上增益。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供用于硅基光波导放大器和激光器的增益材料，为掺杂了铋元素的铒化合物。

本发明通过在传统增益材料铒化合物中引入元素铋(Bi)，可以有效降低铒化合物结晶所需的退火温度，使得其能在较低退火温度下实现发光，更有利于片上集成，而且降低增益材料的退火温度，有利于提升增益材料的质量，降低材料表面粗糙度，从而减小传输损耗，也更有利于与传统CMOS工艺兼容。同时，引入元素铋也能提升增益材料的光致发光强度，进一步提升增益系数。即本发明发现了一种低制备温度、高发光强度的增益材料，更有利于实现硅基光波导放大器和激光器，为硅基光电子技术的发展起到了推动作用。

本发明所述铒化合物可以为铒硅酸盐、铒磷酸盐、铒硼酸盐等，优选为铒硅酸盐。所述铒硅酸盐优选为铒镱硅酸盐、铒钇硅酸盐或铒镱钇硅酸盐，进一步优选为铒镱硅酸盐。

进一步地，铋元素在所述增益材料中的存在形式为单质铋、氧化铋或铋的其它化合物。

进一步地，所述增益材料中铋元素与铒元素的摩尔比为0.01～1:1。