硅基光电子集成技术:光波导放大器和激光器

王兴军，北京大学教授，博士生导师，电子学系副主任，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副主任，信息与通信研究所副所长，国务院学位委员会第八届学科评议组成员（信息与通信工程学科），入选教育部青年长江学者（2015），入选教育部新世纪优秀人才（2013），国家自然科学基金重点项目负责人，科技部863重大项目课题负责人，科技委高技术重点研发项目负责人，科技委主题专家组专家，国防科技大学兼职教授。

第1章 绪论 1

1.1 硅基光电子学 1

1.1.1 硅基光电子学的高速发展 1

1.1.2 硅基光电子学的技术挑战 2

1.2 硅基集成光源 5

1.2.1 硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成光源 6

1.2.2 硅基稀土离子掺杂光源 11

1.2.3 硅基应变锗光源 12

1.3 硅基掺铒光源 15

1.3.1 硅基掺铒光源的发展 15

1.3.2 硅基掺铒氧化铝光源 16

1.3.3 铒硅酸盐光源 22

参考文献 28

第2章 掺铒材料体系的光发射理论与建模 35

2.1 铒离子光发射原理 35

2.1.1 铒离子的基本性质 35

2.1.2 铒离子的光辐射理论 36

2.2 掺铒材料体系中的非辐射能量转移 38

2.2.1 激发态吸收 38

2.2.2 合作上转换 38

2.2.3 交叉弛豫 39

2.2.4 多声子弛豫 40

2.2.5 铒离子浓度猝灭 40

2.2.6 铒镱离子间的能量转移 41

2.2.7 铒离子的发光效率 42

2.3 掺铒材料体系的参数理论 42

2.3.1 Judd-Ofelt理论 43

2.3.2 McCumber理论 43

2.3.3 Forster-Dexter能量转移理论 45

2.4 掺铒材料体系的能级模型与速率方程 46

2.4.1 980 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 46

2.4.2 1480 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 48

2.4.3 980 nm泵浦的铒镱材料体系能级模型与速率方程 49

参考文献 53

第3章 掺铒材料制备与发光特性优化 55

3.1 掺铒薄膜材料的制备 55

3.2 掺铒薄膜结构表征 57

3.2.1 掺铒薄膜的晶格结构表征 57

3.2.2 掺铒薄膜的SEM表征 59

3.2.3 掺铒薄膜的TEM表征 59

3.2.4 掺铒薄膜的AFM表征 62

3.2.5 掺铒薄膜的应力表征 65

3.3 掺铒薄膜发光性能测试 71

3.3.1 掺铒薄膜PL谱、发光寿命测试方法 71

3.3.2 掺铒氧化铝薄膜发光性能测试 73

3.3.3 铒硅酸盐薄膜发光性能测试 73

参考文献 82

第4章 硅基集成掺铒光波导放大器 84

4.1 掺铒光波导放大器建模 84

4.2 光波导放大器结构设计 87

4.2.1 硅基掺铒薄膜混合型光波导放大器 87

4.2.2 硅基氮化硅-掺铒薄膜多层条形加载型光波导放大器 90

4.2.3 硅基掺铒薄膜-氮化硅狭缝型光波导放大器 93

4.3 波导损耗分析 94

4.3.1 散射损耗 95

4.3.2 弯曲损耗 100

4.3.3 吸收损耗、非线性损耗 102

4.4 光放大性能分析 103

4.5 光波导放大器性能测试 106

4.5.1 波导增益测试 106

4.5.2 波导损耗测试 109

4.6 硅基掺铒光波导放大器单片集成 110

参考文献 113

第5章 硅基集成掺铒光波导激光器 114

5.1 激光谐振腔 114

5.1.1 波导型激光谐振腔基本结构 114

5.1.2 基于F-P谐振腔的激光特性建模 117

5.1.3 基于布拉格光栅的激光特性建模 118

5.2 硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 121

5.2.1 硅基掺铒F-P腔型光波导激光器的设计与性能分析 121

5.2.2 硅基掺铒光栅型光波导激光器的设计与性能分析 124

5.3 基于混合型谐振腔的硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 134

5.3.1 基于泵浦光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 134

5.3.2 基于信号光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 138

5.3.3 基于泵浦-信号共谐振混合腔的硅基掺铒光波导激光器 142

5.3.4 基于狭缝型DFB谐振腔的硅基掺铒光波导激光器 149

5.3.5 硅基掺铒光波导激光器的制备工艺与集成方案 156

参考文献 158

第6章 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源 161

6.1 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的结构设计 162

6.1.1 器件整体结构设计 162

6.1.2 垂直泵浦谐振腔设计 164

6.1.3 半导体泵浦有源层设计 166

6.1.4 混合波导耦合设计 167

6.1.5 掺铒增益层设计 168

6.2 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的理论建模 170

6.2.1 半导体异质集成光源建模 170

6.2.2 器件光放大特性建模 174

6.3 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的性能分析 177

6.3.1 泵浦特性 177

6.3.2 光放大特性 178

6.3.3 频率响应特性 179

6.3.4 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的工艺制备方案 181

参考文献 182

第7章 高增益单晶铒硅酸盐化合物纳米线光源 185

7.1 铒硅酸盐纳米线器件的制备和表征 185

7.1.1 管式炉化学气相沉积法材料生长 185

7.1.2 铒硅酸盐纳米线的结构表征 187

7.1.3 铒硅酸盐纳米线的转移 189

7.2 铒硅酸盐纳米线器件的光放大增益测试 191

7.2.1 光放大增益测试平台 191

7.2.2 损耗测试结果分析 192

7.2.3 增益测试结果分析 194

7.3 铒硅酸盐纳米线上转换激光器 195

7.3.1 激光测试系统和测试方法 195

7.3.2 光致发光测试结果分析 197

参考文献 202

1.1硅基光电子学1.1.1硅基光电子学的高速发展随着互联网时代大数据的高速增长，社会对带宽的要求越来越高。传统的微电子行业在满足不断增长的通信、计算以及传感应用需求时面临着两大挑战：能效和成本。光子学更高的信息承载能力和更高的功率密度，可以为此提供解决方案。自20世纪70年代低损耗通信光纤和半导体光电子技术获得突破性进展以来，光通信已经成为大容量通信的标准方案，将光通信技术移植到核与核或芯片与芯片之间的通信中，具有非常大的应用潜力和良好的发展前景1]。近年来，随着微电子互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS）工艺的成熟，硅基光电子（Silicon Photonics）技术以惊人的速度发展，成为当今电子和光子技术的焦点。硅基光电子技术是将光子和电子共同作为信息载体，基于硅（Si)或与硅兼容材料的工艺平台，发展起来的大规模光电集成技术[2]。它既具有光子通信高速、大带宽、低功耗、低成本的优势，又具有CMOS工艺兼容性，能利用现有CMOS工艺线实现大批量低成本的制造。硅基光电子技术最有望成为光电集成的主要平台，广泛用于光电集成电路（Opto-Electronic Integrated Circuit,OEIC）和芯片级数据通信。随着信息产业持续的指数级性能增长，全球互联网流量大幅增长，已在2016年超过270字节阀值[3]。在这一趋势下，信号处理迫切需要低成本的宽带、高密度、高速数据互连计算。拥有更高速率、更大带宽以及更低功耗的光互连技术，被公认是攻克当今通信瓶颈的有效解决方案，而硅基光电子技术正是实现光互连的最佳途径（4]。三十多年前Soref 和 Bennett的工作[5]，标志着硅基光电子学的曙光。近年来，在大量科研机构、高校和企业的共同努力下，硅基光电子技术迅速推进，已逐步从技术探索、技术突破进入今天的集成应用阶段。如图1.1中所示，2004年，Intel 研究小组研制了首个基于金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容结构的单片硅基调制器，实现了超过1 GHz的调制带宽[6]。2006年，美国加州大学圣芭芭拉分校与Intel公司首次成功研制了电驱动的硅基Ⅲ-V族半导体混合集成激光器7]。2007年，Intel研究小组利用载流子耗尽式结构，将硅基调制器的3dB带宽和数据传输率分别提升到了30 GHz和40Gbps[8]。2008年，Luxtera公司基于当时130nm的CMOS工艺线，开发了第一个单片集成的硅基高速光收发模块，该模块基于波分复用技术，数据传输率为4×10Gbps9]。2010年，硅基光电子技术的研发体制开始由学术机构推进转变为厂商主导，迎来产业化和高速发展期。目前，全球几大主要的光芯片、光器件厂商都在硅基光电子领域进行布局。2012年，Luxtera公司发布了PSM4方案的100G光模块（其中“G”表示Gbps，下同）。2014年，Finisar公司推出了端到端50G的硅光接口。2016年，Intel公司发布了并行单模4通道(Paralell Single Mode 4 lanes,PSM4）方案和粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplexer,CWDM）方案的100G光模块。同年5月，Acacia公司于美国纳斯达克上市，成为首家上市的独立硅基光电子公司，标志着硅基光电子器件的产业化逐渐走向成熟。2020年，硅基光电子技术已经迈向了新的台阶，成为400G光模块的有力选择。总而言之，硅基光电子技术的高速发展，将使半导体、芯片、光学元件和整个数据系统的新设计成为可能。