【国内论文】宁波大学王荣平教授课题组：用于光放大的掺铒Ga₂O₃波导

研究介绍

        近年来，随着集成光学的发展，集成规模越来越大，器件的性能越来越复杂，光信号在这样大规模集成的光学芯片传输过程中能量的损失不可避免。因此，使用片上光放大功能器件补偿衰减的光信号成为光学集成芯片中必不可少的元件。目前通信波段的片上波导放大主要采用掺铒波导放大器(Erbium-doped Waveguide Amplifier, EDWA)，它的工作原理是在紧凑型波导结构中掺杂Er^³+，通过泵浦光激发Er^³+发出1.55 μm波长附近的光，从而实现信号光放大的功能。制约掺铒波导放大器性能的根本问题是Er^³+在大多数固体基质中的光学发射截面较小，稀土溶解度较低，所有这些都需要增加光与稀土的作用路径来实现高效的光放大能力，然而，这与光波导的紧凑尺寸相矛盾。另外，基质材料的选择也不是任意的，需要具有较高的Er^³+溶解度、长的⁴I₁₃/₂辐射寿命、低声子能量以及高纯度等。到目前为止，Er^³+掺杂的Al₂O₃被认为是最成功的通讯波段稀土放大材料，但Er^³+掺杂的Al₂O₃波导放大目前尚不能满足大规模商用的需求。

        本课题的研究思路是，Ga与Al在元素周期表中属于同一族，因此其氧化物可以预期具有与Al₂O₃相似的物理和化学性质。同时，Ga元素在溶解稀土方面具有独特的优势，例如，在硫系玻璃中加入Ga可以促进元素Er的溶解度，避免由于在玻璃中形成Er团簇而导致光致发光猝灭，可以很自然地预期，Ga₂O₃是用于铒掺杂的更好的载体。另一方面，掺铒Ga₂O₃的光致发光光谱在1550 nm处较宽的半峰宽，其材料折射率为1.9，大于Al₂O₃。这有望进一步压缩芯片的尺寸，并且几乎没有Ga₂O₃作为平面波导光学材料的相关报道。基于上述原因，我们提出制作掺铒Ga₂O₃波导放大器。我们采用射频磁控溅射方法制备了掺铒的氧化镓非晶薄膜，并采用紫外光刻和电感耦合等离子体刻蚀的方法制备波导（如图1所示），接着对波导的光放大性能进行了研究。在7 mm在长波导中，我们在48.6 mW的泵浦功率和57.5 nW的信号功率下实现了4.7 dB的片上净增益（如图2所示）。这是国际上首次报道利用稀土掺杂Ga₂O₃的材料实现片上光学放大，证明了Ga₂O₃薄膜作为光子材料的潜力，进一步降低波导损耗，改进波导制备工艺，有望实现高增益的片上光学放大。

图1 掺铒Ga₂O₃波导制备工艺示意图