[发明专利]一种光波导放大器的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术中有源光放大器技术领域，涉及一种铒钇 硅酸盐无机化合物材料，用这种材料制备的光波导放大器可以获得 10dB/mm以上的净增益。

背景技术

目前，将光子技术和微电子技术集合起来，以实现硅基光电集成 为目标的硅光子学成为世界光电子学领域十分热门的前沿科学。硅光 子学元器件包括光源、光波导、光子晶体、光开关、光放大器、光调 制器和光探测器等。其中，光放大器能够把衰减的光信号放大，是光 通讯领域的重要元器件之一。上世纪80年代末，基于稀土铒(Er)离子 掺杂的掺铒光纤放大器EDFA(Erbium-doped Fiber Amplifier)被研发 出来，它的诞生是光纤通信领域革命性的突破，它使长距离、大 容量、高速率的光纤通信成为可能。这是因为Er离子从第一激发 态⁴I_13/2跃迁到基态⁴I_15/2时发射能量为0.8eV的光子，相应的波长为 1.53μm，恰好是光纤通讯用石英玻璃光纤的最小光吸收窗口。为了解 决EDFA无法和其他光子学元器件平面集成的问题，人们又发明了掺 铒光波导放大器EDWA(Erbium-doped Waveguide Amplifier)，EDWA 是在一个制造成本较低的平面基体上完成的，EDWA中Er离子浓度 比EDFA中高出1-2个量级，可以获得更高的光增益。目前报道的最 好结果是韩国Shin教授研究小组发表在Applied Physics Letters 79卷 4568页的关于掺Er富硅氧化硅(Er doped silicon rich silicon oxide (SRSO))的结果《Optical gain at 1.54μm in erbium-doped silicon nanocluster sensitized waveguide》，它的Er离子最高掺杂浓度达到10²⁰ions/cm³，在1cm长的波导中获得了4dB的光增益，但这与硅光子学 集成要求在mm尺度下获得10dB以上增益仍有不小差距。掺Er离子 光波导放大器的光增益公式为：G_(dB)＝4.43×(σ_absN₂-σ_emN₁)ΓL，其中， σ_abs为吸收截面，σ_em为受激发射截面，Γ为光限制因子，L为光波导 长度，N₁和N₂分别为处于基态和激发态的Er离子数目。在足够强的 泵浦功率下，发生粒子数反转，处于基态的Er离子(N)全部跃迁至激 发态，同时根据Einstein的受激发射理论，σ_abs和σ_em的值相同，公式 可写为：G_(dB)＝4.43×(σ_absN)ΓL，由式可知，有效提高Er离子浓度可 实现在小尺寸波导中获得较高增益。日本木村忠正教授发现了一种 Er₂SiO₅化合物，发表在Applied Physics Letters 85卷4343页 《Self-assembled infrared-luminescent Er-Si-O crystallites on silicon》， 这种化合物结构中Er离子是化合物的阳离子，而不再是作为杂质掺 杂进去的。与以前掺杂方法相比，成功将Er离子浓度提高了2个数 量级，达到2×10²²ions/cm³，而且由于Er离子是固溶在化合物中的， 减少了Er离子之间的团聚现象，获得了较强室温光致发光。尽管 Er₂SiO₅得到了较强的室温发光，但Er离子浓度高达2×10²²ions/cm³， Er离子之间的距离比较近，合作上转换很容易发生，导致荧光的猝 灭。因此采用一种有效的阳离子固溶到Er₂SiO₅材料中，在保证高Er 离子浓度的情况下，又使Er离子充分分散，从而制备出毫米甚至微 米尺度下10dB以上的净增益的光波导放大器成为当前需要解决的问 题。

发明内容