一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器及其制备方法技术

本发明专利技术实施例提供一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器及其制备方法，包括：在光路上依次设置的硅衬底、DBR底部反光镜、光波导、增益介质层、DBR顶部反光镜、键合层、Ⅲ‑Ⅴ族泵浦层，Ⅲ‑Ⅴ族泵浦层通过电致发光产生泵浦光，在信号光传输的相交方向上间接电驱动增益介质层产生放大，Ⅲ‑Ⅴ族半导体光源通过外延生长或者贴片键合的方式集成到键合层上；DBR底部反光镜与DBR顶部反光镜构成DBR谐振腔，提高增益介质层中的泵浦功率；光波导与增益介质层形成混合波导结构。本发明专利技术采用III‑V族半导体激光器作为泵浦，实现了电致发光；III‑V族半导体激光器采用生长或贴片键合的方式集成到光波导放大器上，工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器及其制备方法
本专利技术涉及光电子
，尤其涉及一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器及其制备方法。
技术介绍
近年来，微电子技术按照摩尔定律飞速发展并逐渐趋于瓶颈，以微电子技术为基础，在片上实现光电器件集成的硅基光电子技术越来越引起人们的注意。其充分发挥了微电子技术工艺成熟、集成度高、成本低、价格低廉等优势，以及光通信传输速率快、带宽大、抗干扰能力强等优点，在通信领域起着越来越重要的作用。片上光电器件，如调制器、探测器、波分复用器等，已经逐渐发展成熟并步入商业化。随着片上光电器件集成度的提高，光信号传播损耗问题日益严重。因而，如何实现片上光波导放大器，是目前硅基光电子技术的发展必然解决的问题。然而，硅是间接带隙材料，受激辐射需要声子参与，发光效率低，难以用于片上波导放大器的实现。目前，解决片上波导放大器的方案主要有两种：基于III-V族半导体材料的放大器和基于稀土离子的掺铒波导放大器。III-V族半导体放大器，采用直接带隙的半导体材料作为增益介质。其带隙宽度可调，采用不同的半导体材料，可以实现在不同的波长范围内的增益；制备流程简单，工艺成熟，易于实现大规模生产，降低成本；能够实现电驱动，不需要外接光源，更有利于片上集成应用。III-V族半导体放大器以其优越的性能取得了较大的发展。然而，其材料本身难以在在硅衬底上外延生长，不利于硅基集成；同时，受材料带隙限制，在1.5μm波段的III-V族半导体放大器难以实现。因此，亟需一种可在片上集成的波导放大器。专利技术内容为了解决上述问题，本专利技术实施例提供一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器及其制备方法。第一方面，本专利技术实施例提供一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器，包括：在光路上依次设置的硅衬底、DBR底部反光镜、光波导、增益介质层、DBR顶部反光镜、键合层以及Ⅲ-Ⅴ族泵浦层，其中：所述Ⅲ-Ⅴ族泵浦层用于通过电致发光产生泵浦光，在信号光传输的相交方向上间接电驱动所述增益介质层产生放大，所述Ⅲ-Ⅴ族半导体光源通过外延生长或者贴片键合的方式集成到所述键合层上；所述DBR底部反光镜与所述DBR顶部反光镜构成DBR谐振腔，所述DBR谐振腔用于提高所述增益介质层中的泵浦功率；所述光波导与所述增益介质层形成混合波导结构。优选地，所述增益介质层为掺铒材料。优选地，所述增益介质层为：掺铒材料和氮化硅的混合材料。优选地，所述增益介质层位于所述DBR谐振腔的垂直方向上，以使得所述泵浦光能够在所述增益介质层中产生谐振。优选地，所述DBR谐振腔的材料为二氧化硅和氮化硅。优选地，所述光波导为片上SOI波导。优选地，所述Ⅲ-Ⅴ族泵浦层为Ⅲ-Ⅴ族半导体光源组成的Ⅲ-Ⅴ族LED有源层。第二方面，本专利技术实施例提供一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器的制备方法，包括：在硅衬底上交替沉积二氧化硅、氮化硅，从而形成DBR结构；根据预设厚度的二氧化硅、氮化硅，交替沉积预设次数形成DBR下方光栅；在所述DBR下方光栅上沉积硅，通过光刻方法，涂胶、曝光、显影、刻蚀，形成硅波导结构；在所述DBR下方光栅上除去所述硅波导以外的其它地方沉积铒材料，形成增益介质层；在所述增益介质层上沉积二氧化硅、氮化硅，形成DBR上方光栅，交替沉积两次；在所述DBR上方光栅上沉积缓冲层；将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器通过外延生长或贴片键合的方式集成到所述缓冲层上。优选地，所述将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器通过外延生长或贴片键合的方式集成到所述缓冲层上，具体包括：在所述Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器上采用PECVD沉积二氧化硅或氮化硅薄膜作为键合介质层；对所述键合介质层进行化学机械抛光，使所述键合介质的表面粗糙度达到键合要求；热退火降低所述键合介质中的氢和水含量，并用RIE进行表面激活；将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器通过外延生长或贴片键合的方式集成到所述缓冲层上。优选地，所述铒材料的厚度为所述泵浦光半波长的整数倍。本专利技术实施例提供一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器及其制备方法，III-V族半导体激光器作为泵浦，实现了电致发光，实现了无外泵浦光源的硅基光波导放大器的完全集成；同时III-V族半导体激光器采用生长或贴片键合的方式集成到光波导放大器上，工艺较为简单，成本较低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器的结构示意图；图2为本专利技术实施例中不同周期下光栅反射率谱线的示意图；图3为本专利技术实施例中在不同光栅周期数下对于中心波长980nm的反射率变化示意图；图4为本专利技术实施例中上光栅不同周期数下腔内泵浦光相比不采用DBR结构的增强效果的示意图；图5为本专利技术实施例中在铒材料中的光场分布情况示意图；图6为本专利技术实施例中放大器的制备过程示意图；图7为本专利技术实施例提供的一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器的制备方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。目前片上放大是硅基光电子芯片中的必要技术，但可靠的片上波导放大器依然没有完全实现；尽管掺铒材料是公认的光放大器的合适材料，但掺铒光波导放大器却无法直接电泵浦，并且传统的波导结构，由于将大部分信号光限制在硅中，不能满足要求。本专利技术实施例实现了一种电驱动的片上集成可调掺铒波导放大器。以电驱动的Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器作为泵浦，掺铒材料作为增益介质，从而实现电驱动的同时实现片上高增益。通过仿真设计混合波导结构，使得信号光沿波导传播的同时，大部分功率限制在增益介质中，从而能够实现更高的片上增益。本专利技术实施例中波导放大器结构主要分为一下三个重要部分：基于分布式布拉格反馈(DBR)的垂直结构谐振腔、波导和增益介质组成的混合波导结构、贴片集成的Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器泵浦。Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器，采用生长或贴片键合的方式集成到片上波导放大器上。其向下辐射980nm的激光作为增益介质的泵浦，从而解决了片上波导放大器需要外接光泵浦，不利于片上集成的问题。分布式布拉格反馈(DBR)的垂直结构谐振腔，其反射谱中心为泵浦光波长，用以反射泵浦光。由于Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器辐射的泵浦光向下传播，穿过增益介质传输到基底中的泵浦功率会被耗散掉，通过设计垂直结构的DBR谐振腔，可以使更多的泵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，包括：在光路上依次设置的硅衬底、DBR底部反光镜、光波导、增益介质层、DBR顶部反光镜、键合层以及Ⅲ-Ⅴ族泵浦层，其中：/n所述Ⅲ-Ⅴ族泵浦层用于通过电致发光产生泵浦光，在信号光传输的相交方向上间接电驱动所述增益介质层产生放大，所述Ⅲ-Ⅴ族半导体光源通过外延生长或者贴片键合的方式集成到所述键合层上；/n所述DBR底部反光镜与所述DBR顶部反光镜构成DBR谐振腔，所述DBR谐振腔用于提高所述增益介质层中的泵浦功率；/n所述光波导与所述增益介质层形成混合波导结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，包括：在光路上依次设置的硅衬底、DBR底部反光镜、光波导、增益介质层、DBR顶部反光镜、键合层以及Ⅲ-Ⅴ族泵浦层，其中：
所述Ⅲ-Ⅴ族泵浦层用于通过电致发光产生泵浦光，在信号光传输的相交方向上间接电驱动所述增益介质层产生放大，所述Ⅲ-Ⅴ族半导体光源通过外延生长或者贴片键合的方式集成到所述键合层上；
所述DBR底部反光镜与所述DBR顶部反光镜构成DBR谐振腔，所述DBR谐振腔用于提高所述增益介质层中的泵浦功率；
所述光波导与所述增益介质层形成混合波导结构。


2.根据权利要求1所述的电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，所述增益介质层为掺铒材料。


3.根据权利要求1所述的电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，所述增益介质层为：掺铒材料和氮化硅的混合材料。


4.根据权利要求1所述的电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，所述增益介质层位于所述DBR谐振腔的垂直方向上，以使得所述泵浦光能够在所述增益介质层中产生谐振。


5.根据权利要求1所述的电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，所述DBR谐振腔的材料为二氧化硅和氮化硅。


6.根据权利要求2或3所述的电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，所述光波导为片上SOI波导。


7.根据权利要求1所述的电驱动的片上集成掺铒波导放大器，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兴军，周佩奇，王博，何燕冬，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11