[發明專利]一種片上間接電泵浦的摻鉺光波導放大器的混合集成方法

有效

• 申請號: 202010717378.9
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111987575B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 王冰;肖盼盼
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01S3/063
• 分類號: H01S3/063;H01S3/0933
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 張金福

本發明公開了一種片上間接電泵浦的摻鉺光波導放大器的混合集成方法，包括以下步驟：S1.在Ⅲ?Ⅴ族襯底上外延生長Ⅲ?Ⅴ族多量子阱作為電泵浦源，與硅/二氧化硅進行晶圓鍵合集成；S2.刻蝕Ⅲ?Ⅴ族層，開出摻鉺波導空間；S3.沉積氮化硅，并用化學機械磨拋進行表面平坦化；S4.刻蝕氮化硅；S5.沉積摻鉺增益材料，并用化學機械磨拋進行表面平坦化；S6.刻蝕Ⅲ?Ⅴ族多量子阱電泵浦源到N?type層，并制作金屬電極；S7.刻蝕Ⅲ?Ⅴ族多量子阱電泵浦源，制作DBR諧振腔，完成器件制造。本發明降低了工藝復雜度和器件厚度，提高了泵浦效率。

技術領域

本發明涉及光電子技術領域，更具體地，涉及一種片上間接電泵浦的摻鉺光波導放大器的混合集成方法。

背景技術

微電子技術按照摩爾定律飛速發展。然而,隨著微電子器件尺寸的進一步減小,微納器件及集成度的進一步提高,電互連所固有的局限性將促使芯片的發熱量迅速增加,引起串擾、噪聲、功耗、時延等多方面的問題,進一步提升器件性能遇到瓶頸。不僅如此,由于現有的制造設備和工藝已接近器件尺寸的物理極限,通過減小線寬的方法來提高芯片的工作頻率和集成度面臨基礎物理問題。當線寬進入深納米尺寸時,如何避免量子效應導致的相鄰導線之間的量子隧穿,也面臨前所未有的挑戰。這些問題已經成為了微電子集成電路技術未來發展面臨的重大障礙,摩爾定律出現延緩。因此,為了滿足更高的技術需求,人們將目光投向了片上光互連技術。與電子相比,光子作為信息載體,具有巨大的優勢:沒有靜止質量、光子之間沒有干擾、光的不同波長可以用于多路同時通信等,從而可以利用光子進行通信,實現更大的帶寬和更高的速率。用光學互連取代微芯片中的金屬互連，以提供更快的響應時間、更寬的傳輸帶寬和更低的功耗。片上光互連的方式主要是光波導互連，利用光波導制成的器件可實現光信號的傳輸、調制、開關、路由選擇、分束/耦合、濾波等功能。在這些過程中，光波導器件不可避免地對光信號產生吸收、散射/反射、耦合等損耗。因此在片上光互聯系統中集成光波導放大器件對衰減的光信號進行放大，延長信號的傳輸距離,恢復信道質量，提高信噪比，保證光信號在系統中的穩定傳輸是不可或缺的。

例如，針對1.53～1.55μm的第三標準通信波段,硅基光波導放大器目前有兩個主要的研究方向：一種是三五(Ⅲ-Ⅴ)族半導體光放大器，雖然可以直接用電泵浦，其硅基外延生長和異質集成在近年來也取得了進展，但由于其上能級載流子的壽命太短，會隨著數據流的脈沖密度分布，存在較強的增益壓縮與恢復效應，用其放大高速調制的光信號本身就有較大的問題。因此半導體光放大器在硅光芯片中的應用也存在疑問。另一種方法是基于傳統的摻鉺光纖放大器(EDFA)材料,將其轉換為摻鉺平面光波導放大器(EDWA)。相比較而言,摻稀土離子光波導放大器對偏振不敏感、噪聲小、溫度穩定性好、帶寬大、且與CMOS工藝兼容,成本低。但多數摻鉺光增益材料都為絕緣介質，導電性較差，難以進行直接的電泵浦，所以集成的摻鉺光波導放大器件依然需要外部的泵浦光源，很大程度上失去了集成光源的意義。又由于鉺離子本身的光學截面較小(～10-21cm2)和固體溶解度較低(～1020cm-3)，使其所能提供的每單位距離光增益(～dB/cm)較小。目前報道的摻鉺波導光波導放大器件中，泵浦方式和增益性能都還有待改善和提高。

發明內容

本發明為克服上述現有技術所述的摻鉺光波導放大器需要外部的泵浦光源，工藝復雜，集成度不高的缺陷，提供一種片上間接電泵浦的摻鉺光波導放大器的混合集成方法。

本發明的首要目的是為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：

一種片上間接電泵浦的摻鉺光波導放大器的混合集成方法，包括以下步驟：

S1.在Ⅲ-Ⅴ族襯底上外延生長Ⅲ-Ⅴ族多量子阱作為電泵浦源，與硅/二氧化硅進行晶圓鍵合集成；

S2.刻蝕Ⅲ-Ⅴ族層，開出摻鉺波導空間；

S3.沉積氮化硅，并用化學機械磨拋進行表面平坦化；

S4.刻蝕氮化硅；

S5.沉積摻鉺增益材料，并用化學機械磨拋進行表面平坦化；