[发明专利]一种片上光放大器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种片上光放大器及其制备方法。片上光放大器包括光波导、光学隔离层、衬底和离子掺杂层，其中，所述离子掺杂层包括掺杂层介质和掺杂离子，所述光学隔离层位于所述衬底和所述离子掺杂层之间；所述离子掺杂层紧密包覆在所述光波导外部，或位于所述光波导和所述光学隔离层之间并与光波导紧密贴合。相比于传统的使用掺铒光纤放大器、离子掺杂波导等方式实现光放大而言，本发明可实现集成化、芯片化的光放大器，并具有CMOS兼容的特点，且无需对光波导器件进行掺杂即可实现光‑物质的相互作用，消除了离子直接掺杂引入光波导晶体结构缺陷的问题，保证了集成光子器件的色散、损耗等光学指标参数。

技术领域

本发明涉及光器件技术领域，特别是涉及一种片上光放大器及其制备方法。

背景技术

对光通信能力的不断要求促进了集成光子技术的发展，芯片级的集成光子器件及由其组成光联路、光系统极大的减小了光通信器件的尺寸与功耗。受限于片上光子器件的规模，面对于需要较大输出光信号的场合一般通过掺铒光纤放大器(ErbiumDopedFiberApplication Amplifier，EDFA)进行光信号放大。EDFA是一种在石英光纤内掺杂铒(Er3+)离子的特种光纤，在泵浦光的作用下掺铒光纤中出现离子束反转产生受激辐射，使得通过纤芯的光信号得到放大。然而，传统的EDFA仪器体积较大，不利于相关光器件的集成化、芯片化；并且，EDFA与芯片级集成光子器件的光信号传输往往存在较大的光耦合损耗与不稳定性。

光波导是一种可以束缚光波在其中传播的片上光子器件，通过离子注入等方式制备稀土掺杂的片上光波导已经在相关领域得到报道(如文献DOI：10.1364/OME.397011)并证实了其具有光信号放大的能力。然而这种直接对光波导进行离子掺杂的方式往往会对光波导的晶体结构引入缺陷，造成光传输损耗增加，从而大幅度降低其光学性能。

专利CN101933200A公开了一种掺杂稀土离子的光波导和包括光波导的光学器件，具体地是一种包括芯部的光纤，芯部由基于稀土离子掺杂二氧化硅的材料构成并且覆盖有光学包层，其中掺杂稀土离子的光纤通过浸渍法制备得到。这种制备方法效率较低，制备得到的波导性能不稳定，光传输损耗较高。

如何实现高性能、低损耗的集成片上光放大器件的制备，是本领域技术人员需要重点关注的问题。

发明内容

本申请的方案基于上述思路，提供了一种基于离子掺杂层的片上光放大器及其制备方法掺杂层的离子与光波导的倏逝场产生相互作用，当信号光进入光波导时，同时耦入泵浦光，输出光信号的光放大，消除了离子直接掺杂引入光波导晶体结构缺陷的影响，解决了传统方法中光传输损耗高的问题。

一方面，本发明提供一种片上光放大器，所述片上光放大器包括光波导、光学隔离层、衬底和离子掺杂层，其中，所述离子掺杂层包括掺杂层介质和掺杂离子，所述光学隔离层位于所述衬底和所述离子掺杂层之间；所述离子掺杂层紧密包覆在所述光波导外部，或位于所述光波导和所述光学隔离层之间并与光波导紧密贴合。

当光信号在光波导内部传播时，其表面的倏逝波会与离子掺杂层内的掺杂离子发生光-物质相互作用，实现输出光信号的光放大。

当光波导束缚光场在其中传输，光学隔离层能够防止光波导内的光模场泄露至衬底，掺杂层介质为掺杂离子提供存在的介质层，而掺杂离子则能够提供光放大的能力。

进一步地，所述当离子掺杂层位于所述光波导和所述光学隔离层之间并与光波导紧密贴合时，所述光波导外还设有包层。

进一步地，所述掺杂层介质的材质包括但不限于硅、氮化硅、二氧化硅、铌酸锂、碳化硅、氧化钽、氧化碲、氧化铝、硫化锌、钨酸盐、磷酸盐玻璃、铋酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃、III-V族复合化合物或高分子聚合物的其中一种。