硅基氮化硅上实现单片集成的光波导放大器

来源：中国激光

有源元件如激光器和光放大器在大量光子集成电路中非常重要。由于具有低损耗、超宽带宽和良好CMOS兼容特性，硅基氮化硅光子学被快速推广至诸多应用领域，如微波光子学、非线性光子学、生物传感、自动驾驶、激光雷达以及惯导器件等领域。大多数应用场景中都急切地需要在硅基氮化硅光芯片平台上集成的有源元件。三五族半导体光放大器和氮化硅器件通过端面耦合已实现了高性能外腔激光器。然而，这种集成技术需要复杂和高精密的封测制造，因此，极大地限制了低成本、大规模的产品化量产。在硅基氮化硅光子平台上，采用稀土掺杂材料如氧化铝、氧化钽和氧化碲等，可以实现晶圆级的有源元件单片集成。和三五族半导体材料相比，稀土掺杂材料拥有长激发态寿命和低激射所诱发的折射率变化的优点，对于增益空间和热稳定作用明显。通过掺杂不同种类的稀土离子，比如钕、镱、铒、铥和钬等，能够覆盖从近红外到中红外的波长范围。然而，目前大多数高速和高增益应用中，这些有源材料多通过直接在氮化硅结构上面进行生长，或者在氮化硅器件上的二氧化硅包层采用挖槽的方式生长的方法得到，从而直接影响到整个光子集成电路中的低损耗特性。为了突破这些局限，荷兰特文特大学MESA+纳米技术研究所的Sonia García-Blanco教授团队研发了能在硅基氮化硅上实现单片集成的光波导放大器技术，此项技术基于他们能够支持晶圆级制造的双层单片集成平台。该项工作发表在Photonics Research 2020年第10期上。穆进峰博士为第一作者和通讯作者。波导光放大芯片示意图。淡蓝色代表氮化硅器件，绿色代表氧化铝。这项研究中，利用无源二氧化硅将掺铒氧化铝和氮化硅波导隔开成独立的两层，光通过特定垂直区域耦合，从而具有低损耗、宽带宽和对光刻overlay误差超高容忍性的优点。S. García-Blanco教授认为，该工作为稀土掺杂材料尤其是稀土掺杂氧化铝，能够在氮化硅平台提供更高的增益和实现不同单片集成应用具有非常积极的意义。