[發明專利]一種片上光放大器及其制備方法

在審

• 申請號: 202211728183.X
• 申請日: 2022-12-30
• 公開（公告）號: CN115966989A
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 謝臻達;賈琨鵬;趙澤興
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01S3/063
• 分類號: H01S3/063
• 代理公司: 北京弘權知識產權代理有限公司 11363
• 代理人: 逯長明;朱炎

本發明公開了一種片上光放大器及其制備方法。片上光放大器包括光波導、光學隔離層、襯底和離子摻雜層，其中，所述離子摻雜層包括摻雜層介質和摻雜離子，所述光學隔離層位于所述襯底和所述離子摻雜層之間；所述離子摻雜層緊密包覆在所述光波導外部，或位于所述光波導和所述光學隔離層之間并與光波導緊密貼合。相比于傳統的使用摻鉺光纖放大器、離子摻雜波導等方式實現光放大而言，本發明可實現集成化、芯片化的光放大器，并具有CMOS兼容的特點，且無需對光波導器件進行摻雜即可實現光?物質的相互作用，消除了離子直接摻雜引入光波導晶體結構缺陷的問題，保證了集成光子器件的色散、損耗等光學指標參數。

技術領域

本發明涉及光器件技術領域，特別是涉及一種片上光放大器及其制備方法。

背景技術

對光通信能力的不斷要求促進了集成光子技術的發展，芯片級的集成光子器件及由其組成光聯路、光系統極大的減小了光通信器件的尺寸與功耗。受限于片上光子器件的規模，面對于需要較大輸出光信號的場合一般通過摻鉺光纖放大器(ErbiumDopedFiberApplication?Amplifier，EDFA)進行光信號放大。EDFA是一種在石英光纖內摻雜鉺(Er3+)離子的特種光纖，在泵浦光的作用下摻鉺光纖中出現離子束反轉產生受激輻射，使得通過纖芯的光信號得到放大。然而，傳統的EDFA儀器體積較大，不利于相關光器件的集成化、芯片化；并且，EDFA與芯片級集成光子器件的光信號傳輸往往存在較大的光耦合損耗與不穩定性。

光波導是一種可以束縛光波在其中傳播的片上光子器件，通過離子注入等方式制備稀土摻雜的片上光波導已經在相關領域得到報道(如文獻DOI：10.1364/OME.397011)并證實了其具有光信號放大的能力。然而這種直接對光波導進行離子摻雜的方式往往會對光波導的晶體結構引入缺陷，造成光傳輸損耗增加，從而大幅度降低其光學性能。

專利CN101933200A公開了一種摻雜稀土離子的光波導和包括光波導的光學器件，具體地是一種包括芯部的光纖，芯部由基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構成并且覆蓋有光學包層，其中摻雜稀土離子的光纖通過浸漬法制備得到。這種制備方法效率較低，制備得到的波導性能不穩定，光傳輸損耗較高。

如何實現高性能、低損耗的集成片上光放大器件的制備，是本領域技術人員需要重點關注的問題。

發明內容

本申請的方案基于上述思路，提供了一種基于離子摻雜層的片上光放大器及其制備方法摻雜層的離子與光波導的倏逝場產生相互作用，當信號光進入光波導時，同時耦入泵浦光，輸出光信號的光放大，消除了離子直接摻雜引入光波導晶體結構缺陷的影響，解決了傳統方法中光傳輸損耗高的問題。

一方面，本發明提供一種片上光放大器，所述片上光放大器包括光波導、光學隔離層、襯底和離子摻雜層，其中，所述離子摻雜層包括摻雜層介質和摻雜離子，所述光學隔離層位于所述襯底和所述離子摻雜層之間；所述離子摻雜層緊密包覆在所述光波導外部，或位于所述光波導和所述光學隔離層之間并與光波導緊密貼合。

當光信號在光波導內部傳播時，其表面的倏逝波會與離子摻雜層內的摻雜離子發生光-物質相互作用，實現輸出光信號的光放大。

當光波導束縛光場在其中傳輸，光學隔離層能夠防止光波導內的光模場泄露至襯底，摻雜層介質為摻雜離子提供存在的介質層，而摻雜離子則能夠提供光放大的能力。

進一步地，所述當離子摻雜層位于所述光波導和所述光學隔離層之間并與光波導緊密貼合時，所述光波導外還設有包層。

進一步地，所述摻雜層介質的材質包括但不限于硅、氮化硅、二氧化硅、鈮酸鋰、碳化硅、氧化鉭、氧化碲、氧化鋁、硫化鋅、鎢酸鹽、磷酸鹽玻璃、鉍酸鹽玻璃、氟化物玻璃、硫系玻璃、III-V族復合化合物或高分子聚合物的其中一種。