我们设计并制造了一个双层结构的Er³⁺:Ta2O5波导，并研究了其在C波段的光放大性能。1533 nm处零增益的泵浦激光阈值为2.5 mW，内部净增益为∼4.63 dB/cm，在980 nm的泵浦功率为36.1 mW和信号输入功率为−30.0 dBm（1 µW）时测得。还研究了内部增益与信号输入功率之间的关系，在信号输入功率约为−47.1 dBm时，达到了较大的内部净增益10.58 dB/cm。结果验证了Ta2O5作为光波导放大材料的潜力。

基于硅基板的掺铒稀土材料集成光放大器可以有效地放大微弱的光信号，从而实现长距离光信号传输。与商业化的掺铒光纤放大器（EDFA）设备相比，掺铒波导放大器（EDWA）因其能够在厘米甚至更小尺度的器件中提供类似的光增益而受到越来越多的关注，且易于与其他功能不同的片上光子器件集成。因此，EDWA是集成通信系统中不可或缺的一部分[1,2]。

为了开发具有高增益的EDWA器件，已经探索了多种宿主材料，如Al2O3 [3]、TeO2 [4]、硫族玻璃[5,6]、LiNbO3 [7,8]和Si3N4 [9]等。例如，在一根0.025 cm长的Er3+:Al2O3波导中，1533 nm处的净内部光增益高达20.1 ± 7.31 dB/cm，该增益层的Er3+掺杂浓度为4.9 × 10^21离子/cm3，通过原子层沉积（ALD）制造[3]。将Er3+离子注入超低损耗的氮化硅（Si3N4）光子集成电路中，产生了超过30 dB的净光增益，在小信号功率下，而在5 mm长的波导中实现了最大净内部增益5.2 dB，对应于大于10 dB/cm的平均净增益[9]。在Er3+:TeO2波导中，6.7 cm长波导在1558 nm处报告了5 dB的净增益[4]。在Er3+:As2S3板波导[5]中，也展示了0.1 dB/cm的内部光增益，这验证了将硫族材料作为EDWA制造宿主材料的可能性。

与上述宿主材料相比，Ta2O5具有较高的折射率（1530 nm处n = 2.1），与二氧化硅包覆层相比，折射率对比度为0.65[10]。这提供了更好的光束约束，从而减少了集成光学器件的体积。Ta2O5还具有优异的特性，如低光学损耗[11,12]、高激光损伤阈值[13]、低双光子吸收[14]和高三阶非线性[15]。对于EDWA应用，Subramanian等人[16,17]使用氩离子束铣削（IBM）刻蚀法制造了一个2.3 cm长的Er3+:Ta2O5肋形波导，在1600 nm时具有低于0.65 dB/cm的光损耗，并报告了1531.3 nm处的净光增益为2.1 dB/cm。还展示了一个掺铒Ta2O5波导激光器[18]，其阈值功率为约14 mW，斜率效率为0.3%。

尽管像IBM这样的物理干法刻蚀能够制造出具有良好形貌的Er3+:Ta2O5波导，但在大多数实验室中，通常使用反应离子刻蚀感应耦合等离子体（RIE-ICP）方法，使用刻蚀化学气体[19]，然而，这通常会导致波导表面和侧壁粗糙度较大，这是由于残余金属Er形成微型掩膜所导致的。因此，改进波导结构设计，避免直接刻蚀Er3+:Ta2O5薄膜，对于获得高质量光波导显得至关重要。

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在本文中，我们报道了具有双层结构的Er3+:Ta2O5波导放大器，结构由掺铒Er3+:Ta2O5活性层和上面覆盖的纯Ta2O5层（不含Er3+掺杂）组成。波导结构仅在纯Ta2O5层上进行图案化。我们研究了不同信号和泵浦激光功率下的光放大器增益，并发现，在1533 nm处信号功率为−30 dBm时，1.2 cm长的直波导中的内部净增益高达∼4.63 dB/cm，其中泵浦激光的发射功率为36.1 mW。在该泵浦功率下，1533 nm处的大内部净增益约为10.16 dB/cm，在信号输入功率为−47.1 dBm时。

图1. (a) Er3+:Ta2O5双层结构波导光放大器的制备工艺。(b) Er3+:Ta2O5波导的横截面(b)和表面(c)的SEM照片。

图1(a)描述了双层结构Er3+:Ta2O5波导的制造过程。在沉积薄膜之前，首先对一个具有2 μm厚SiO2层的硅晶圆进行仔细清洗。通过共溅射Ta2O5和Er2O3靶材，在3.6 mTorr的室压和30 sccm氩气流量下，在室温下沉积了800 nm厚的掺铒Er3+:Ta2O5薄膜（Er3+浓度为2.1 × 10^20离子/cm3）。分别应用100 W和40 W的溅射功率于Ta2O5靶材和Er2O3靶材，沉积速率为∼7.2 nm/min。在这种情况下，掺铒Er3+:Ta2O5薄膜在1550 nm处使用980 nm泵浦激光时具有最大的光致发光强度。之后，仅使用Ta2O5靶材在100 W的溅射功率下沉积未掺杂的Ta2O5薄膜。掺铒和未掺铒薄膜的折射率几乎相同，因为掺杂浓度较低。然后将薄膜在600°C下退火10小时，以减少缺陷并激活Er3+离子。接着，在退火后的薄膜上旋涂约1.2 μm厚的AZ-5214光刻胶层，并通过紫外光刻转移图案。光刻后，使用RIE-ICP设备，采用CF4和O2混合气体刻蚀顶层的Ta2O5层，得到肋形波导。然后，使用O2等离子体机清洗芯片，并将其浸泡在NMP溶液中以去除残留的光刻胶。图1(b)展示了用这种方法制造的Er3+:Ta2O5波导的横截面SEM图像，其中也显示了不同宽度的波导，如图1(c)所示。

图2. 光波导放大测量实验装置。红框内图像分别为980 nm和1533 nm处模式分布的模拟结果。

光放大实验的设置如图2所示。信号来自超连续光源（SC-5，YSL Photonics China），其输出波长范围为470到2400 nm。泵浦光源为980 nm激光（YMPSS-980-660-B-FBG，YM lasers China）。它们通过波长分复用器（WDM）组合在一起。然后，来自WDM的输出光通过带透镜的锥形光纤耦合到Er³+:Ta2O5波导中，光学损耗为0.1 dB/m。另一根带透镜的锥形光纤耦合到波导的另一面，用于收集来自放大信号和残余泵浦光的输出光，随后送到光谱分析仪（OSA）。在放大测量之前，通过WDM和光纤透镜收集的光被直接传送到OSA，以便在后续实验中校准进入波导的实际功率。我们还模拟了在980 nm泵浦波长和1533 nm放大波长下的模式分布。在本文使用的波导中（宽度4 µm；高度0.2 µm；活性层厚度0.8 µm），光场分布在980 nm泵浦光下与Er³+掺杂的活性层最大重叠度达到89%，在1533 nm信号光下为85%，如图2中的红框所示。

图3. 采用截断法测量1310nm处的传输损耗，黑点和红点线分别为实验数据及其线性拟合

该薄膜在约1.5 µm处显示出强烈的光致发光，其激发态寿命为2.7毫秒。我们使用切割法测量了波导在1310 nm处的光传播损耗，在该波长下不会观察到Er³+离子的吸收。图3显示了通过测量不同长度波导的透过率并进行线性拟合得到的光损耗数据。图3中的拟合线的截距和斜率分别代表耦合损耗和传播损耗，分别为每个面约5.08 dB和0.67 dB/cm。

在光放大实验过程中，我们记录了不同980 nm激光功率下波导中的输出功率，当信号激光开启时，OSA的输出功率定义为Ptotal。同时，当信号激光关闭时，也记录了波导中的放大器自发辐射（ASE），定义为Pase。

图4. (a) 不同泵浦功率下波长范围为1400至1700 nm的总输出（dBm）。(b) 波导的ASE光谱。(c) 从总输出光谱中去除ASE后的结果。

图4(a)展示了在信号功率为−30 dBm（1 µW）时，Ptotal随着泵浦功率增加的变化。我们使用公式Gtotal = 10log(Ptotal)对Ptotal的输出功率值进行对数变换，并将其转换为dBm的垂直坐标。随着泵浦激光功率逐渐从0增加到36.1 mW，光增益光谱在1400到1700 nm的波长范围内记录到，其中输出值急剧增加，形成了在1542 nm处的强增益峰值。Pase也进行了对数变换，并显示在图4(b)中。为了排除ASE带来的影响，我们从Ptotal中去除了Pase，得到没有ASE的输出功率，结果如图4(c)所示。从图4(c)可以明显看出，去除ASE后，在约1410 nm和1635 nm处出现了两个重叠点，分别对应−41.1和−40.6 dBm，形成了Er³+离子的“零吸收”基线，可以定义为Pin。

这两个基点dBm值的轻微差异是由于实验中使用的SC光源输出轮廓的不均匀性。我们定义了在某一波长处的增益与重叠点之间的差异为波导的内部增益。内部净增益的定义为

α是通过切割法测得的传播损耗为0.67 dB/cm，L是波导的长度。

图 5. 1533 nm 处的内部增益与泵浦功率从 0 增加到 36.1 mW 的关系。

不同泵浦功率下1533 nm波长的Er³+:Ta2O5波导的最终内部增益如图5所示。可以观察到，放大激光的阈值约为2.5 mW，最大内部增益在泵浦功率为36.1 mW时为6.36 dB。考虑到传播损耗为0.67 dB/cm，波导长度为1.2 cm，波导的最终内部净增益约为4.63 dB/cm，高于Subramanian等人报告的2.1 dB/cm的净增益值[17]。从图5中黑点的趋势可以看出，光放大尚未饱和，因此随着泵浦功率的进一步增加，还可以预期更高的增益。

图 6. 泵浦功率为 36.1 mW 时内部增益与信号功率的关系

我们进一步进行了不同信号功率（从−47.1到−8.5 dBm）的放大测量，在泵浦功率为36.1 mW时，并绘制了最大内部增益的值，如图6所示。可以看到，随着信号光功率的增加，波导的最大内部增益逐渐下降。我们在Chen等人报道的掺铒钽酸锂光放大器中发现了类似的行为[8]。在极弱的信号光功率情况下，噪声对净增益值的精确估计有显著影响，导致较大的误差条。然而，在信号功率为−47.1 dBm时，仍然可以获得约13.5 dB的最大内部增益，相应的净增益约为10.58 dB/cm。

两个重要因素，即低光传播损耗和高Er³+掺杂浓度，对于波导实现高内部净增益至关重要。与其他宿主材料相比，Ta2O5具有相对较低的光损耗，接近Al2O3（0.63 dB/cm）[3]。尽管Si3N4波导[9]的光损耗较低，但Er³+离子很难直接掺入Si3N4中，Er掺杂只能通过复杂且昂贵的离子注入设施实现。另一方面，TeO2[4]和As2S3[5]只能掺入较低浓度的Er³+，分别为2.5 × 10²⁰和0.45 × 10²⁰离子/cm³。本研究的结果清楚地展示了Er³+:Ta2O5波导在光放大中的潜力。

总之，我们制造了具有双层结构的Er³+:Ta2O5光放大器，并研究了其放大性能。根据我们的结果，当信号输入功率为−30.0 dBm（1 µW）时，Er³+:Ta2O5的内部增益随着980 nm泵浦功率的增加而增加，零内部增益的泵浦阈值功率接近2.5 mW。使用36.1 mW的泵浦输入功率，在1533 nm处实现了最大内部净增益∼4.63 dB/cm。另一方面，信号功率从−47.1 dBm增加到−8.5 dBm，导致在36.1 mW泵浦功率下的内部增益减少。在信号输入功率为−47.1 dBm时，在1.2 cm长的Er³+:Ta2O5波导中观察到了约10.58 dB/cm的最大内部净增益。结果显示了Er³+:Ta2O5波导在光放大应用中的巨大潜力。我们预计通过提高薄膜质量和优化波导制造工艺，净光增益可以进一步提高。

作者；Zheng Zhang,1 Ruixue Liu,1 Wei Wang,1 Kunlun Yan,2 Zhen Yang,1,3 Maozhuang Song,1Duanduan Wu,1 Peipeng Xu,1 Xunsi Wang,1 AND Rongping Wang1,4,∗

单位；1Laboratory of Infrared Material and Devices, Advanced Technology Research Institute, Ningbo University, Ningbo, Zhejiang 315211, China

2Research School of Physics and Engineering, The Australian National University, Canberra, Australian Capital Territory 0200, Australia

3Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 0512, China

4Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Physics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Chin