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硅氮化物（Si3N4）-硅二氧化物（SiO2）平台由于其低传播损耗和宽透明窗口（从约400 nm到2350 nm），在集成光子学中引起了越来越多的关注。将放大器和激光器等有源器件可扩展集成到Si3N4平台上，将使需要光增益的应用成为可能，并为混合集成提供一个急需的替代方案，后者受限于高成本和缺乏大规模生产能力。
我们展示了一个在Si3N4平台上单片集成的高增益光放大器，采用了双光子层方法，使用掺铝的铒（Al2O3:Er3+）。该器件在1532 nm处表现出18.1 ± 0.9 dB的净Si3N4到Si3N4增益，并在覆盖S带、C带和L带波长的70 nm宽带范围内实现增益操作。
这项工作表明，掺稀土离子的材料，特别是掺稀土离子的Al2O3，可以为Si3N4平台提供非常高的净增益，为开发不同的有源器件在这一无源平台上的单片集成铺平了道路。

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1. 引言

集成波导放大器和光源是光子集成电路的核心组件，这些电路将不同的功能集成在单一芯片上[1]。目前，硅绝缘体[2,3]、磷化铟[4,5]和硅氮化物（Si3N4）[6,7]是三种商业化的光子平台。Si3N4平台由于其低传播损耗（约0.1 dB/cm）和宽透明窗口（约400 nm至2.35 μm）[7]，在微波光子学[8]、非线性光子学[9]、生物传感[10]、量子技术[11]和激光雷达[12]等无源应用中取得了巨大进展。将放大器和激光器等有源组件集成到Si3N4无源平台上，可以充分利用其优异的无源特性。

III-V族半导体光学放大器已经通过端面耦合与Si3N4平台进行混合集成，生产外腔激光器[13-15]。然而，要实现这些混合集激光器的高性能，需要复杂的组装和封装步骤，以及波导面之间的高精度对准[16]，这使得制造过程难以实现低成本大规模生产，特别是对于那些具有复杂光学功能和高集成密度的器件，涉及许多有源与无源部分的过渡。通过微接触印刷将III-V族半导体光学放大器与Si3N4进行异质集成[17]，已被提议作为一种更具可扩展性的解决方案。

最近，掺稀土离子（RE3+）的铝氧化物（Al2O3）与Si3N4的单片集成已经得到展示[18-23]，显示出在Si3N4平台上实现高性能可扩展光源的潜力。与III-V族半导体[24]相比，掺稀土离子的材料具有更长的激发态寿命（0.1-10毫秒）[25]，以及较小的折射率变化（约10^-6）[26]，这些特性有助于热稳定性和空间稳定性增益[27]。在晶体主材料中可以实现的高稀土离子掺杂浓度，使得在掺Yb3+的KYWO4波导中（980 nm时约935 dB/cm）[28]和掺Er3+的氯硅酸盐纳米线中（1530 nm时约100 dB/cm）展示了非常高的单位长度增益。然而，这些晶体器件难以制造[29]，并且难以集成到无源光子平台上以开发更复杂的功能。

非晶主材料通常可以在晶圆级别沉积，从而简化了制造和集成过程。已经展示了几种主材料，包括掺Er3+和Yb3+的Ta2O5[30]、掺Er3+的TeO2[31]和掺Tm3+的TeO2[32]，以及掺Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+和Ho3+的Al2O3[19,25,33-35]，用于在不同波长下实现发射。这些材料主要通过反应性共溅射沉积，尽管最近关于通过原子层沉积（ALD）沉积的掺稀土离子Al2O3的研究已经显示出非常高的单位长度增益（即，Al2O3:Er3+中的20.1 ± 7.31 dB/cm的净模增益）[23]，得益于在亚原子级别控制Al2O3和Er2O3的沉积。已经在Al2O3中展示了高速度[27]、高内部净增益[36]的光学放大器和窄线宽激光器[21,37]。尽管已经展示了高的单位长度净模增益和高的总净增益，但尚未报道将波导放大器集成到无源光子平台上的Si3N4到Si3N4的高总增益。

在这项工作中，我们展示了一种集成的高总增益（即从无源波导到无源波导）的光放大器，该放大器由掺Er3+的Al2O3通过双层平台单片集成到Si3N4平台上[38]。与之前的集成方法不同，之前的集成方法中，掺Al2O3:RE3+材料直接沉积到Si3N4元件上[20,21,23,31]或溅射到Si3N4平台中的SiO2沟槽中[19,22]，在我们的方法中，掺Al2O3:RE3+和Si3N4波导位于两个单独的层中，这两个层通过一层薄的SiO2膜分隔开来。因此，光模式分别在每个光子层中独立引导，从而允许它们独立优化，以最小化损耗并最大化泵浦模式与信号模式在有源波导上的重叠。两个层之间的模式传输通过垂直锥形绝热耦合器实现，这些耦合器具有低损耗、宽带特性，并且对重叠误差具有较高的容忍度。这些锥形耦合器在我们之前的工作中已经得到了展示[38,39]。在1532 nm处，放大器的总增益达到了18.1 ± 0.9 dB，增益段长为10 cm，净增益的带宽超过70 nm。

2. 结果

图1. 单片集成Al2O3:Er3+-Si3N4放大器的结构
(a) 整个放大器芯片的三维示意图，包含基于MMI的多路复用/解复用器。P和S分别表示MMI多路复用/解复用器的泵浦端口和信号端口。
(b) 绝热垂直耦合器的示意图，由一个垂直的Si3N4锥形波导和一个侧向的Al2O3:Er3+锥形波导组成。
(c) 绝热耦合器在不同位置（A、B、C、D、E）的截面示意图，这些位置如图(b)所示，位于沿传播方向的锥形区域内，以及相关的模式强度分布图，使用横向电场（TE）偏振。不同的截面参数已标出。场强度在彩虹色标中可视化，最高强度以红色表示。

图1(a)显示了单片Al2O3:Er3+-Si3N4放大器芯片的示意图，包含了Al2O3:Er3+、Si3N4波导和绝热耦合器。设计了200纳米厚的Si3N4波导，宽度为1.4 μm，位于底层，这一底层是在硅晶圆上制造的，硅晶圆下层有8 μm厚的热氧化物作为底衬。研究发现，这一氧化物厚度足以防止模式泄漏到硅基底中[38]。通过低压化学气相沉积（LPCVD）沉积了199.6 ± 0.13 nm厚的Si3N4层。然后，使用i线接触光刻技术对Si3N4波导进行图形化，再通过CHF3和O2化学刻蚀进行反应离子刻蚀（RIE），刻蚀速率为Si3N4为30 nm/min，SiO2为32 nm/min。制备的波导宽度为W = 1.4 ± 0.08 μm，在1532 nm波长处的传播损耗为0.14 dB/cm，该数据是通过参考加减环谐振器测得的。用于合并/分离泵浦和信号模式的多路复用器/解复用器已集成到无源Si3N4波导上[40]。

在Si3N4和Al2O3:Er3+层之间，使用LPCVD沉积了一层TEOS SiO2膜作为间隔层，随后进行了退火处理。该间隔层不仅提供了一个良好的表面，以便在其上沉积Al2O3:Er3+层，而且在完全刻蚀Al2O3:Er3+波导时也保护了Si3N4波导的顶部表面。模拟结果表明，100–200 nm范围内的间隔层厚度能够实现良好的光耦合效果，并对Si3N4与Al2O3:Er3+波导之间的掩膜重叠误差具有良好的容忍性[38]。为了实现这种间隔层厚度，采用了化学机械抛光步骤，将沉积后的LPCVD TEOS SiO2层的厚度从760 ± 6 nm减薄至180 ± 16 nm（见图1(c)中的tS）。然后，采用射频反应性共溅射技术沉积Al2O3:Er3+层，Er3+的目标浓度为1.7 × 10^20 cm−3。在放大器位置测得Al2O3层的厚度为tA = 804 ± 5 nm。接着，使用i线光刻对Al2O3波导进行图形化，并通过RIE刻蚀至840 nm的深度（过刻蚀约为36 nm进入SiO2缓冲层），使用的化学物质为BCl3和HBr。

泵浦模式和信号模式通过绝热耦合器在Al2O3:Er3+和Si3N4波导之间传输，如图1(b)所示。耦合器由一个厚度锥形的Si3N4波导和一个宽度锥形的Al2O3:Er3+波导组成[38,39]。沿着绝热锥形波导的模式轮廓变化如图1(c)所示。波导锥形结构的使用减少了锥形尖端的模式不匹配损耗，即A–B与D–E之间模式重叠不匹配造成的损耗[图1(c)]。为了实现这种高性能耦合，Al2O3:Er3+波导被侧向锥形化，锥形尖端的宽度为W_A2 = 0.8 ± 0.11 μm（即紫外光接触光刻的极限），而Si3N4波导则被垂直锥形化，锥形尖端的厚度为t_P2 = 30.8 ± 4 nm。锥形化是通过高产率湿法刻蚀工艺实现的，该工艺与文献[38]中的方法相同。为了实现绝热条件，需要将锥形尖端的厚度控制在50 nm以下，并且Si3N4和Al2O3波导之间的掩膜重叠误差容忍度为0.6 μm。绝热锥形的角度来源于Si3N4和本征SiO2（牺牲层）之间的刻蚀速率差异。两个锥形结构的长度相同，均为800 μm，因此，侧向Al2O3:Er3+锥形的绝热角度为0.007°，垂直Si3N4锥形的绝热角度为0.013°。

对于有源Al2O3:Er3+波导，选择了单模操作，用于泵浦（980 nm）和信号（C带）波长，偏振方式为横向电场（TE）。泵浦模式与信号模式之间的重叠度也被最大化（88%），以尽可能获得高的光增益。这个值高于TM偏振情况下的重叠度。此外，片上多路复用/解复用器也设计为在TE偏振下工作。螺旋波导放大器的总长度设计为10 cm，最小半径为250 μm，即中心处的S形弯曲半径，在该位置弯曲损耗小于10^-4 dB/cm，因此可以忽略不计。完全刻蚀的波导宽度为W_A1 = 1.4 ± 0.12 μm，侧壁角度小于15°（见图2）。

图2. 扫描电子显微镜（SEM）图像
(a) Al2O3锥形波导尖端附近的截面图
(b) Si3N4锥形波导尖端附近的截面图
这些SEM图像是从一个带有未掺杂Al2O3的Si3N4平台上的监控晶圆切割样品拍摄的。

图3. 损耗表征
(a) 在不同波长下，沿Al2O3:Er3+波导螺旋波导长度散射的光强度的测量值。发射信号功率为-30 dBm。
(b) Al2O3:Er3+波导螺旋的吸收加传播损耗随发射信号功率变化的测量值。

图3(a) 绘制了来自图中插图黄色框的分箱计数，这些框沿螺旋的圆形路径放置，发射信号功率为-30 dBm（即测量的入射功率为-20 dBm）。通过对数据进行最小二乘拟合，测得在1460 nm、1532 nm和1640 nm波长下的吸收加传播损耗（αap）分别为1.92 ± 0.10 dB/cm、3.5 ± 0.09 dB/cm和0.6 ± 0.06 dB/cm。对于不同的发射信号功率，重复了相同的表征和拟合程序，以确定发射信号功率应该足够小，以满足小信号区间，在该区间内基态激发达到最大值[图3(b)]。当发射信号功率低于-15 dBm时，αap收敛，并且变化小于0.1 dB/cm。

图4. (a) 测量的吸收加传播损耗与波长的关系，信号发射功率为−30 dBm。红线显示了根据参考文献[41]中的吸收截面计算的值，离子浓度为1.65 × 10²⁰ cm⁻³。(b) 在1306 nm波长下，Al2O3:Er3+-Si3N4 adiabetic耦合器的传输功率与耦合器数量的关系。每个耦合器的损耗为0.49 dB。(c) Si3N4多路复用/解复用器在1460–1635 nm波长范围内通过泵浦和信号端口发射的损耗谱。阴影部分表示测量的标准偏差。

使用发射信号功率-30 dBm，αap在完整的光谱窗口1460–1640 nm内进行了表征，如图4(a)（黑色三角形）所示。αap值在1610 nm以上的波长范围内收敛至0.6–0.7 dB/cm，这个波长范围内传播损耗主导了αap。为了验证传播损耗，使用相同的螺旋波导在1306 nm波长（在Er3+离子的基态吸收带外）进行了类似的测量。测得的传播损耗为0.64 ± 0.05 dB/cm，这与在1610 nm以上波长测得的值相符。此外，使用前期工作中报告的Al2O3中Er3+的吸收截面（σabs）[41]，我们通过以下公式计算了吸收光谱：

其中，N₀是离子浓度（单位：cm⁻³），Γ是波导核心内模式的约束因子。计算得出的1532 nm波长下的约束因子为68.4%，适用于已制造的波导。吸收曲线考虑了Al2O3:Er3+波导的背景传播损耗0.64 dB/cm的测量结果。可以看出，实验数据与在铒浓度为1.65 × 10²⁰ cm⁻³时计算的吸收损耗非常接近，如图4(a)所示。

Al2O3:Er3+-Si3N4耦合器损耗（αc）是通过测量在与螺旋放大器相同硅片上制造的不同级联耦合器数量的Si3N4波导的传输功率来确定的。通过参考游标卡尺确定了小于0.4 μm的掩膜重叠误差。表征工作在1306 nm波长下进行，使用我们之前工作中描述的实验装置[38,39]，结果如图4(b)所示。每个耦合器的平均损耗为0.49 ± 0.02 dB。预计在980 nm和1550 nm波长下，尽管Er3+离子会有吸收，adiabatic耦合器仍将表现出类似的损耗，参考之前的工作[39]中展示的超宽带性能。

此外，芯片内MMI多路复用/解复用器的插入损耗在1460–1635 nm波长范围内进行了实验表征，如图4(c)所示。表征采用了与参考文献[40]相同的实验装置。通过将信号光分别从信号端口（S）和泵浦端口（P）发射，测得在1532 nm波长下，MMI的损耗分别为1.38 ± 0.1 dB和9.03 ± 0.04 dB。在泵浦波长976.2 nm下，通过泵浦端口发射光时，MMI损耗为2.7 ± 0.6 dB。在本工作中，我们重点研究了单片集成放大器。MMI多路复用/解复用器的优化可参考文献[40]。

光放大器的净增益（单位：分贝）从输入Si3N4波导到输出Si3N4波导，使用以下公式进行计算[23,36,42]：

其中，第一个项称为信号增强，定义为带泵浦开启时（PsonP_{s\text{on}}Pson）输出信号功率，经过修正以消除放大自发辐射（ASE）的贡献，和泵浦关闭时（PsoffP_{s\text{off}}Psoff）输出功率的比值；第二项表示螺旋波导长度为LLL 的总吸收和传播损耗；最后一项表示由两个Si3N4-Al2O3 adiabetic耦合器引入的损耗。在增益测量过程中，PsonP_{s\text{on}}Pson 和PsoffP_{s\text{off}}Psoff 都同样受到波导面质量和MMI多路复用/解复用器损耗的影响。需要对同一放大器进行精确的耦合器损耗、吸收损耗和传播损耗表征。这能避免在不同区域的设备中引入αap\alpha_{ap}αap 的变化，因为溅射的Er³⁺离子浓度会略有变化，从而导致更加准确和可靠的增益值（如下面图7所示）。

图5. 用于测量Al2O3:Er³⁺-Si3N4集成螺旋放大器净增益的实验 setup。泵浦光（波长976.2 nm）通过一个3 dB耦合器（工作波长980 nm）分光，并通过MMI多路复用/解复用器从输入和输出两侧注入放大器芯片。信号来自一个工作在C波段的可调激光器，从左侧注入并从右侧收集，送往光谱分析仪。照片显示了泵浦开启和泵浦关闭情况下的集成螺旋放大器。Al2O3:Er³⁺螺旋中相邻回路之间的间距为40 μm。

图5显示了用于表征净增益的实验 setup。泵浦光源为一台钛宝石激光器（700–1100 nm，Spectra-Physics Model 3900S），其波长为976.2 nm。信号光源来自一台可调激光器，波长范围为1460–1640 nm，且具有集成衰减功能（Agilent 8164B光波测量系统，配有81600B-201激光模块）。信号光采用TE偏振。泵浦光通过一个3 dB耦合器（PN980R5F1）分光，并从芯片的两侧注入。该双向泵浦方案有助于更加均匀地反转整个集成的Al2O3:Er³⁺螺旋放大器的长度。它还避免了由于泵浦光强度较高，泵浦光在放大器开始部分被激发态吸收而导致的泵浦光损耗。如果泵浦光只从一侧注入，这种情况会导致放大器的前端泵浦光被耗尽。在左侧（即信号光输入端），泵浦光和信号光通过光纤阵列的不同通道（127 μm间距）注入，随后通过芯片上的2×1 MMI进行复用[40]。在右侧，经过3 dB耦合器后，泵浦光首先通过保持偏振的波分复用器（980/1550 WDM，WP9850F），然后被注入芯片上的1×2 MMI解复用器的泵浦端口。在输出端，残余的泵浦光和放大后的信号光通过外部WDM进一步解复用，外部WDM的插入损耗分别为信号0.53 dB和泵浦光0.67 dB。最终，信号连接到光谱分析仪（OSA）（HP 70950B），其光谱分辨率为0.5 nm。在计算信号增益之前，ASE信号会从信号光谱中去除，方法与文献[23]中的相似。在泵浦关闭时，通过OSA收集的传输光谱为T_off。当泵浦开启时，放大后的信号功率光谱（T_on）包括了ASE功率，该功率等于从光谱曲线（T_b_on）中获得的背景功率。例如，图6(a)和6(b)展示了在不同启动信号功率下，1550 nm波长下泵浦关闭和开启时的测量光谱。当泵浦开启时，背景光谱功率上升至约−57 dBm，原因是ASE的存在。为了从测量的光谱中去除ASE，首先从放大后的信号功率中提取的峰值功率会排除ASE背景功率T_b_on。因此，净Si3N4到Si3N4增益提取的公式可以修改为

JINFENG MU,* MEINDERT DIJKSTRA, JEROEN KORTERIK, HERMAN OFFERHAUS, AND SONIA M. GARCÍA-BLANCO 

Optical Sciences Group, MESA+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands