#离子注入铒 #氮化硅光波导 #掺铒光放大器
摘要
在本文中，我们展示了碲氧化物混合波导中的铒离子注入和信号增强。将宽度为2 µm、高度为100 nm的氮化硅条带包覆110 nm厚的碲氧化物层，形成混合波导，然后在200 keV能量和1×10¹⁵ ions/cm²剂量下进行铒离子注入，注入峰值深度在碲氧化物层中约50 nm处。在150°C低温退火30分钟后，传播损耗从1.7 dB/cm降低到0.9 dB/cm，而铒寿命从40 µs增加到超过800 µs。我们在11 cm长的波导中，在1550 nm波长处测量到9 dB的小信号增强。这些结果展示了在碲氧化物薄膜中为集成光子应用掺入铒和其他稀土离子的低温注入后退火工艺的进展。
关键词： 集成光子学，氮化硅，离子注入，低温退火，铒掺杂波导放大器，碲酸盐
划重点--销售晶圆和加工
#离子注入铒
#光子晶体腔电子束光刻刻蚀加工
468寸PLZTOI薄膜晶圆--180pm/V电光系数高
SOI晶圆：--220nm/340nm/500nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675um，1万欧双高阻做探测器和量子器件
GEOI晶圆--做探测器和中远红外波导，SMARTCUT工艺
InGaPOI晶圆：2阶和3阶非线性器件--mbeAlGaAsOI晶圆：非线性器件--mbe
ALNOI晶圆；紫外波导器件和紫外非线性器件
ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺--紫外波导器件
TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，离子束溅射镀膜工艺，吸收小损耗低
SINOI晶圆--超低损耗LPCVD+annealing氮化硅薄膜晶圆，210nm-300nm-400nm-800nm
SICOI晶圆；新型光量子波导平台减薄抛光工艺500nm-700nm-1um
8寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶300600
6寸X切Z切掺镁薄膜铌酸锂晶圆 ，厚膜 3um 5um 和 薄膜 100-600nm
8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产
流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆
划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书
我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
请联系小编免费获取原文
文章名：Erbium-implanted tellurite waveguides with low temperature post-implantation activation and signal enhancement
作者：Yuxuan Gao¹, Batoul Hashemi¹*, Bruno L. Segat Frare¹, Niloofar Majidian Taleghani¹, Pooya Torab Ahmadi¹, Henry C. Frankis¹, Ponnambalam Ravi Selvaganapathy², Jonathan D. B. Bradley¹, Peter Mascher¹, Andrew P. Knights¹
单位：1 Department of Engineering Physics, McMaster University, 1280 Main Street West, Hamilton, ON L8S 4L7, Canada
2 Department of Mechanical Engineering and the School of Biomedical Engineering, McMaster University, 1280 Main Street West, Hamilton, Ontario L8S 4L7, Canada
1. 引言
铒掺杂光纤放大器自20世纪80年代发展以来，在光通信系统中发挥了核心作用，特别是在密集波分复用中使用的C波段和L波段信号放大[1,2]。对紧凑和可扩展光子系统日益增长的需求推动了铒掺杂波导放大器的发展，其目标是在集成光子平台上直接提供光学增益[3-7]。为了实现高性能EDWA，已经研究了一系列宿主材料和制造方法。合适的EDWA平台需要高Er溶解度、低光学传播损耗、大面积均匀薄膜沉积、与CMOS工艺兼容以及实用的沉积速率。已经探索了铒掺杂晶体材料如铌酸锂[8-15]，以及玻璃和非晶宿主如氧化铝[16-23]、五氧化二钽[24-27]、硅酸盐玻璃[28-31]和碲氧化物[32-35]用于集成光学增益。
已经采用了几种技术将Er离子掺入光学宿主材料中，包括共溅射、离子注入和共掺杂策略。虽然先前在氧气环境中碲和稀土元素的共溅射已经实现了基于TeO₂的EDWA[32-35]，但离子注入提供了一种替代的非平衡方法，能够精确控制掺杂剂深度和空间分布，同时允许超过平衡溶解度极限的高掺杂浓度[4,36]。这种方法已被广泛研究用于薄膜光子材料的Er掺杂，包括二氧化硅、磷硅酸盐、氧化铝、氮化硅和铌酸锂平台[36-44]。最近，在超低损耗Si₃N₄光子集成电路中的Er注入实现了高性能片上放大，报道的输出功率为145 mW，小信号增益超过30 dB[40]。这些结果证明了基于注入的Er掺杂在集成光子学中的强大潜力。离子注入还允许与额外离子如镱或氧共掺杂，以改善Er相关的发射特性。Yb共掺杂可以通过从Yb³⁺到Er³⁺的能量转移增强Er激发，而氧共注入可以促进光学活性Er-O复合物的形成并提高辐射效率[36,45]。与共溅射薄膜相比，Er注入也被报道抑制了不期望的协同上转换[4]。然而，直接注入到紧密约束的Si₃N₄波导中可能需要高注入能量和随后的相对高温热退火，以恢复注入诱导的损伤并激活光学高效的Er中心[40-42,46,47]。因此，替代宿主层和低温集成路线仍然受到关注。
碲酸盐因其相对较高的折射率、宽发射带宽、高稀土溶解度、Er离子之间降低的交叉弛豫和强光学非线性，是Er掺杂波导放大器有吸引力的宿主材料[32-35,48]。TeO₂薄膜也可以使用晶圆级低温工艺沉积，使其非常适合与包括绝缘体上硅和Si₃N₄在内的一系列硅光子平台集成[34,35,49-51]。这种混合方法结合了碲氧化物良好的稀土宿主特性和硅光子平台成熟的制造、紧凑器件几何结构和无源波导能力[34,49,52-54]。基于TeO₂的有源层已与SOI和Si₃N₄平台集成，以实现紧凑激光器和光学放大器[34,51]。这种异质集成也为将有源和非线性功能引入硅基光子电路提供了一条有前景的途径[35,55]。先前已在碲酸盐玻璃中研究了离子注入用于波导形成或稀土掺杂玻璃性质的改性，包括H⁺、O⁺和离子束辐照的Er³⁺或Yb³⁺掺杂碲酸盐玻璃[56-58]。然而，将铒离子直接注入TeO₂薄膜在很大程度上仍未探索。具体而言，通过离子注入进行光学掺杂对碲酸盐薄膜退化的影响，以及通过退火恢复薄膜的情况尚不清楚。
在本工作中，我们展示了将Er⁺注入TeO₂层，然后进行低温注入后退火。低温退火被证明可以激活注入的Er离子，同时通过部分恢复注入诱导的光学损伤来降低波导背景损耗。所制造的混合TeO₂-Si₃N₄波导螺旋表现出超过800 µs的Er³⁺发光寿命和约9 dB的信号增强，展示了在芯片上实现稀土离子注入碲酸盐光学增益器件的途径。
2. 设计与制造
图1(a)显示了本研究中研究的EDWA结构的横截面。混合TeO₂-Si₃N₄平台结合了TeO₂的稀土宿主特性和Si₃N₄的低损耗导波特性。波导几何结构允许光学模式与Er注入的TeO₂层重叠，而注入分布和相关损伤在很大程度上局限于TeO₂而非Si₃N₄芯层。未包覆的Si₃N₄波导，高度100 nm，宽度2 µm，由LioniX International使用步进光刻和反应离子刻蚀制造[59]。低约束Si₃N₄几何结构允许基模TE模式扩展到包层中，增加光场与活性Er离子之间的重叠。螺旋波导总长度为11 cm，两侧包括250 µm长的线性锥形边缘耦合器。在麦克马斯特大学新兴器件技术中心，使用Lesker PVD Pro 200系统，通过室温射频反应溅射在Si₃N₄芯片上沉积了110 nm厚的TeO₂薄膜，工艺类似于[34,50]中描述的。铒离子通过离子注入引入TeO₂薄膜，能量200 keV，剂量1×10¹⁵ ions/cm²，在萨里大学英国离子束中心进行。
图1. a) 铒注入TeO₂涂覆Si₃N₄波导结构示意图。 b) 使用TRIM模拟计算的（黑色点）和拟合的（红色线）铒浓度，以及模拟的光学横电模式强度（插图）。
图1(b)中绘制的Er浓度分布使用物质中离子输运模拟计算Er注入TeO₂，峰值浓度为2×10²⁰ cm⁻³，位于TeO₂薄膜表面以下约50 nm深度处。考虑到约50 nm的短离子投影射程，如图1(b)插图所示，选择TeO₂层厚度以增加导模与注入Er分布之间的重叠，同时保持低传播损耗。这种配置能够有效激发TeO₂薄膜中的Er³⁺离子。虽然更深的注入分布、多步注入和/或更厚的TeO₂层可以通过更好地对齐Er分布与导模来进一步增加模式重叠，但在所有这些情况下都需要显著更高的注入能量。此外，只有可忽略量的Er穿透TeO₂层，对于本研究的目的，低损耗Si₃N₄波导在很大程度上不受影响。离子注入后，样品在氮气中于150°C低温退火30分钟，随后进行表征。为了研究在保持低热预算的同时是否可以实现额外的缺陷恢复，同一样品随后在180°C下进一步退火30分钟。
3. 实验表征
增益测量使用双面泵浦装置进行，如图2所示。在输入侧，使用波分复用器将1530至1565 nm可调C波段信号激光与1470 nm泵浦激光二极管组合。组合光使用2.5 µm光斑尺寸的锥形光纤耦合到器件中。在输出侧，第二个1470 nm泵浦激光二极管通过收集光纤耦合到器件中，以提供反向传播泵浦光。调整偏振桨以发射基模横电模式。出射光使用第二个锥形光纤收集。然后，耦合输出的信号通过WDM和1500 nm边缘通滤波器，以在光电探测器检测之前去除残余泵浦光。寿命测量使用函数发生器和电示波器进行。使用100 Hz、50%占空比的周期性方波调制泵浦激光器，并在示波器上记录自发发射衰减。表征了波导宽度1.2 µm、半径500 µm的单总线微环谐振器，以独立评估注入和退火引起的本征传播损耗变化。因此，微环测量主要用于评估不同工艺阶段波导损耗的相对演变[49]。
4. 结果与讨论
图3显示了注入前（黄色）、Er注入后（橙色）和150°C退火后（蓝色）测量的代表性环谐振器透射谱。环谐振器处于欠耦合状态，总线-环间隙为2.8 μm，选择主Er吸收带外的代表性谐振来提取负载和本征品质因数。对于宽度1.2 μm、半径500 μm的环谐振器，注入前、注入后和退火后的负载品质因数分别为4.7×10⁵、1.6×10⁵和2.8×10⁵。在波长1570.09、1580.10和1581.04 nm处，相应的本征品质因数分别为5.6×10⁵、1.8×10⁵和3.3×10⁵。这些本征品质因数对应的估计传播损耗约为0.5、1.7和0.9 dB/cm，表明Er注入后光学损耗显著增加，低温退火后部分恢复[49,60]。波导传播损耗的增加（从约0.5到1.7 dB/cm）归因于TeO₂包层中注入诱导的缺陷。采用150°C低温退火部分修复注入诱导的缺陷并改善波导传输，将传播损耗降低到约0.9 dB/cm。也研究了180°C退火，但与150°C处理相比没有提供明显的额外改善。虽然更高温度退火可能进一步降低注入诱导的损耗，但它也可能促进TeO₂薄膜的结晶，导致散射和传播损耗增加[61-64]。此外，150°C退火温度显著低于先前在其他离子注入波导系统中使用的约1000°C温度[40]，并且与后道工艺兼容。这种注入后退火工艺，结合200 keV的有限离子注入能量，表明了一种也与大多数在役注入工具兼容的制造工艺。
图2. 用于测量铒注入碲酸盐混合螺旋波导增益的实验装置。
除了TeO₂薄膜质量的改善外，退火后还观察到Er³⁺光致发光寿命的增加。图4显示，通过指数曲线拟合确定，退火后寿命增加了20倍，达到约800 µs，而退火前约为40 µs。这种增加再次归因于作为非辐射复合中心的缺陷的修复[4]。此外，退火可以减少宿主材料中的羟基（OH）基团，防止光致发光猝灭[37,65,66]。
图3. 透射谱和洛伦兹拟合，显示注入前、注入后和退火后微环的Q因子。
在不同制造阶段测量了11 cm螺旋波导的无源透射：注入前、Er注入后和退火后。对于Er注入前的混合波导，在1475–1640 nm波长范围内，11 cm长螺旋的传播损耗（不包括双面估计约3 dB的光纤到芯片耦合损耗）约为4.5 dB。然后通过比较注入前和注入后测量的透射谱来估计Er注入引起的光学损耗增量，如图5(a)所示，假设所有测量中光纤到芯片边缘耦合损耗一致。
图4. 测量的和拟合的光致发光强度衰减 a) 退火前 和 b) 退火后。
注入后，在1620 nm附近测量的损耗增加了约8.8 dB（0.8 dB/cm），在此处Er吸收可忽略，因此超额损耗主要归因于注入诱导的背景损耗。在1530 nm附近的Er吸收峰处，总注入诱导超额损耗约为14.3 dB（1.3 dB/cm），包括约8.8 dB背景损耗（0.8 dB/cm）和5.5 dB Er相关吸收（0.5 dB/cm）。在氮气中150°C退火30分钟后，背景损耗贡献从约8.8降低到5.5 dB（0.8到0.5 dB/cm），表明注入诱导的缺陷部分恢复[57,67]。相比之下，Er相关吸收变化小于2.2 dB（0.2 dB/cm），表明低温退火仅引起注入Er离子的有限扩散。
图5. a) 11 cm长波导在注入前（蓝色）、注入后（紫色）和退火后（绿色）的测量传播损耗谱（不包括光纤-芯片边缘耦合损耗）；b) 在1550 nm处测量的信号增强因子（dB）作为1470 nm处片上光泵浦功率（mW）的函数。
注入后和退火后波导的信号增强如图5(b)所示。插图显示了退火后观察到的来自Er³⁺二阶上转换的强绿色发射。信号增强在1550 nm处作为泵浦功率的函数使用1470 nm激光二极管测量，而片上信号功率保持在约–20 dBm以避免增益饱和。从11 cm波导在注入后和退火后分别获得约6.6和8.8 dB的峰值信号增强，对应约0.6和0.8 dB/cm。净增益通过从测量的信号增强中减去Er吸收损耗和背景传播损耗计算，退火前为–8.8 dB，退火后为–4.1 dB。
通过优化器件设计、Er分布和注入后处理条件，可以实现更高的信号增强和净增益。目前的性能，对应退火前−8.8 dB和退火后−4.1 dB的净增益，主要受限于光学模式与Er离子之间的重叠，这种重叠因Er离子分布中心与光学模式芯层之间约80 nm的显著分离而降低。这种重叠可以通过增加注入深度朝向Si₃N₄波导来改善，同时避免对波导的结构损伤（尽管限制当前注入能量为200 keV有其好处）。增加TeO₂薄膜厚度也可以通过将光学模式移近表面来增强Er掺杂TeO₂区域的光约束。此外，在仔细管理浓度相关猝灭的前提下，更高的Er浓度预计会改善信号增强。这可以通过增加注入剂量或使用逐步更高能量的连续注入来实现更均匀的Er分布在更宽的深度上。通过系统优化退火时间和气氛可以进一步降低背景传播损耗。此外，在980 nm泵浦理论上可以提供更高的粒子数反转。整体器件性能还取决于泵浦和信号模式约束、耦合效率、模式重叠和传播损耗。最小化侧壁相互作用对于减少散射损耗仍然很重要。因此，器件设计必须平衡注入参数、波导几何结构、Er布居动力学、光约束和传播损耗。最后，Er/Yb共注入可以通过从Yb到Er离子的高效能量转移提供显著增强Er效率的额外途径[28-30]。
5. 结论
总之，本研究展示了将Er注入到集成在氮化硅光子平台上的TeO₂薄膜中，然后进行低温退火以实现注入后恢复。重要的是，据我们所知，本研究首次展示了活性离子注入碲酸盐波导。结果表明，150°C退火可以部分修复注入诱导的缺陷，降低背景传播损耗，显著增加Er³⁺光致发光寿命，并改善信号增强。这些发现突显了使用离子注入结合低温退火来实现与后道光子集成兼容的稀土掺杂TeO₂薄膜的可行性。观察到的信号增强为基于注入稀土离子的集成碲酸盐光放大器提供了重要的第一步。进一步优化注入深度、Er浓度、离子分布、退火条件以及与其他活性掺杂剂的共掺杂，可以在未来器件中实现更高的信号增强和净增益。
