
作者:C. E. OSORNIO-MARTINEZ1, D. B. BONNEVILLE1, Q. SEGONDAT2, I.HEGEMAN3, M. DIJKSTRA1, M. ROMANELLI2, R. DEKKER3 AND
S. M. GARCÍA-BLANCO11
单位:Integrated Optical Systems, MESA+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands.
2 University of Rennes, CNRS, Institut FOTON, UMR 6082, F-35000 Rennes, France.
3LioniX International BV, 7521 AN Enschede, The Netherlands
摘要:我们展示了将多晶Al2O3:Er3+波导放大器单片集成到无源Si3N4 TriPleX平台上,从而实现了光子集成电路的高性能片上放大。多晶Al2O3:Er3+采用反应磁控共溅射技术沉积,确保了其与大规模制造的兼容性。基于定向耦合器的片上波分复用器实现了泵浦光和信号光功率的片上合束和分束。该波导放大器长30 cm,浓度为1.6 × 1020 ions/cm3,在1480 nm处进行双向泵浦。集成放大器的小信号净增益超过16 dB,噪声系数约为3 dB,增益带宽为80 nm。这些结果标志着我们朝着与硅光子平台兼容的下一代有源-无源光子集成电路的全集成稀土离子掺杂放大器迈出了重要一步。1. 引言
光子集成电路 (PIC) 已成为下一代光学技术的关键推动者,为相干光通信 [1]、激光雷达系统 [2]、生物传感 [3] 和量子光子学 [4] 等各种应用提供了紧凑、可扩展且节能的解决方案。为了充分发挥 PIC 的潜力,无源和有源构建模块的集成至关重要 [5]。波导、分束器和多路复用器等无源元件可实现低损耗的光路由和操控,而光放大器和激光器等有源元件则提供增益和发射功能。将有源和无源元件集成在单个芯片内,可以增强功能和性能,降低制造复杂性,并提高整体系统效率 [6]。氮化硅 (Si3N4) 凭借其低传播损耗和宽透明窗口,已成为设计无源光子元件的领先平台 [7]。 Si3N4 无源器件已被应用于激光器 [8]、频率梳 [9]、微波光子学 [10] 和受激布里渊散射 [11] 等应用。此外,Si3N4 采用成熟的 CMOS 兼容工艺制造,可实现可扩展且经济高效的制造。然而,Si3N4 缺乏固有的光增益,因此需要集成有源材料来实现放大和激光发射等功能。半导体光放大器 (SOA) 因其电泵浦能力强、体积小巧以及可与硅光子学进行异质集成的可能性 [12],已被广泛用作有源光子器件。然而,SOA 也存在一些缺点,包括功耗高、对温度波动高度敏感,从而导致较高的相位噪声,并且需要主动热稳定措施才能保证器件的连续工作。这些限制使得 SOA 不太适合需要稳定、低噪声和节能放大的应用。
另一种方法是将稀土离子掺杂材料用于有源光子元件。稀土离子掺杂增益介质具有诸多优势,包括较长的激发态寿命[13]、低噪声系数[14]以及对温度变化的低敏感性[15],使其特别适合于稳定且节能的光放大和激光发射。许多光子平台已被研究用作稀土离子的载体,包括氮化硅[16]、二氧化硅[17]、薄膜铌酸锂 (TFLN) [18]、二氧化钛[19]、氧化碲[20]、五氧化二钽[21]和氧化铝[22–24]。氧化铝 (Al2O3) 因其优异的光学特性和与可扩展制造工艺的兼容性,已成为稀土离子掺杂集成光子学的主要候选材料。 Al2O3 具有较高的稀土离子溶解度 [25]、较低的背景损耗 [26] 和较高的功率处理能力 [27]。早期 Al2O3:Er3+ 放大器的演示依赖于非晶态 Al2O3 薄膜,其制备技术包括反应磁控溅射 [23,24,28] 和原子层沉积 (ALD) [29,30]。稀土离子掺杂非晶态 Al2O3 的单片集成已通过单层集成 [31] 和双层集成 [28,32] 进行了演示。虽然先前的 Al2O3:Er3+ 与 Si3N4 集成演示实现了较高的内部净增益 [28],但较高的耦合损耗限制了外部净增益。近年来,无源多晶Al2O3表现出较低的传播损耗[33],而当掺铒时,则表现出较高的内部净增益[24]和外部光纤间增益[34]。
在本研究中,我们成功地演示了将多晶Al2O3:Er3+单片集成到无源Si3N4 TriPleX平台上,采用了与其他无源光子平台兼容的双层集成方案。该集成放大器集成了片上波分复用器(WDM),在小信号范围内实现了超过16 dB的内部净增益(即从Si3N4输入到Si3N4输出)。它在1560 nm信号波长下可提供约23.5 mW的片上输出信号功率和3.1 dB的内部噪声系数。这些结果是使用一个30厘米长的螺旋放大器获得的,其铒浓度为1.6×10^20个离子/cm^3,在1480nm波长下进行双向泵浦。此外,该器件从光纤到芯片的耦合损耗低于每面2dB,从而实现了外部光纤到光纤增益。多晶Al^2O^3:Er^3+与无源Si^3N^4元件的成功集成,标志着朝着完全单片有源-无源集成迈出了重要一步,为硅光子PIC中的光放大提供了一个可扩展的高性能平台。
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2. 设计
Si3N4 和 Al2O3:Er3+ 波导设计用于支持泵浦光 (1480 nm) 和信号波长 (1520 至 1640 nm) 下横向电 (TE) 偏振的单模工作。Si3N4 设计采用 TriPleX 非对称双条纹 (ADS) 配置 [7]。对于芯片输入和输出端的边缘耦合器,考虑到所用光纤 (PM15-U25D,康宁公司) 在 1550 nm 处的模场直径 (MFD) 为 10.5 ± 0.5 µm,选择 300 nm 的 Si3N4 尖端宽度,以最大限度地降低光纤到芯片的耦合损耗。Si3N4 尖端宽度在 800 µm 的长度上呈线性递减,以达到 1.2 µm 的波导宽度。对于Al2O3:Er3+波导,厚度选择为750 nm,宽度选择为1.75 µm,以实现对泵浦波长(~80%)和信号波长(~78%)的高限制因子。
我们设计了一个基于定向耦合器的波分复用器 (WDM),并采用了Si3N4波导。基于模拟,我们选择了330 µm的耦合长度和0.9 µm的间隙,以最大限度地提高泵浦波长和信号波长的传输率。为了将泵浦光和信号光的组合发射到Al2O3:Er3+波导放大器中,我们设计了一个垂直绝热耦合器。图1(a) 为Si3N4和Al2O3:Er3+双层集成的三维示意图。Si3N4和Al2O3:Er3+波导由一层薄SiO2隔离层隔开。
图 1. a) 包含有源和无源构建模块的光子集成电路的三维示意图。b) 垂直耦合器示意图。c) 垂直耦合器相关部分的横截面图。
图 1(b) 展示了该结构沿垂直耦合器四个不同位置的横截面 (CS)。第一个横截面 (CS1) 对应于 Si3N4 波导芯。沿着耦合器移动,CS2 捕获了 Al2O3:Er3+ 尖端与 Si3N4 芯重叠的过渡区域。然后,在 Si3N4 和 Al2O3:Er3+ 横向逐渐变细之后,CS3 表示 Si3N4 尖端与 Al2O3:Er3+ 波导芯重叠的区域。最后,CS4 对应于 Al2O3:Er3+ 波导芯,光在此处完全传输到增益材料。
垂直耦合器的总损耗由三部分组成:CS1 和 CS2 之间的模式失配、CS3 和 CS4 之间的模式失配以及锥形区域的损耗。使用 MODE 求解器 (Lumerical Inc.) 模拟垂直耦合器的总损耗,其中 Si3N4 尖端宽度为 300 nm,Si3N4 波导芯宽为 1.2 µm,Al2O3:Er3+ 尖端宽度为 200 nm,Al2O3:Er3+ 波导芯宽为 1.75 µm,SiO2 隔离层厚度为 350 nm。
图 2. a) 模拟模式失配与 CS1/CS2 和 CS3/CS4 之间横向失准的关系,适用于三种不同波长(1480、1550 和 1620 nm)。b) 模拟锥形区域损耗与锥形长度的关系,适用于三种波长(1480、1550 和 1620 nm)。
图 2(a) 显示了两种情况下在三个波长(1480、1550 和 1620 nm)下的模拟模式失配。观察到引入横向错位有利于减少由于下方模式失配引起的损耗,正如先前在[35,36]中报道的那样。选择1 µm的错位,以使所有三个波长的模式失配损耗保持在0.01 dB以下。接下来,进行锥长扫描以分析垂直耦合器锥形区域的损耗。图2(b)展示了三个波长的模拟结果。基于这些结果,Si3N4和Al2O3:Er3+的锥长均为800 µm。因此,在1480 – 1620 nm的波长范围内,垂直耦合器的模拟总损耗低于0.05 dB。
3. 制造和特性
Si3N4无源电路基于非对称双条纹TriPleX技术[7]。
波导堆栈由75 nm Si3N4底层、100 nm SiO2中间层和175 nm Si3N4顶层组成。Si3N4和SiO2采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积,随后进行高温退火。波导图案化采用电子束光刻(EBL)技术,这与标准的步进光刻方法有所不同。EBL技术允许在单个晶圆上实现多种参数变化。EBL工艺完成后,采用反应离子刻蚀(RIE)工艺对波导进行刻蚀。首先采用LPCVD工艺沉积1 µm SiO2包层,然后进行化学机械抛光(CMP),以确保表面光滑平整,以便后续进行活性Al2O3层加工。
采用反应射频磁控共溅射技术(AJA ATC 1500),按照[24,34]中概述的程序,在SiO2隔离层顶部沉积掺铒Al2O3(Al2O3:Er3+)薄膜。沉积过程中,在氧气气氛下,使用纯度为99.9995%的Al和纯度为99.9%的Er固体靶材,制备多晶Al2O3:Er3+薄膜。采用相同参数进行参考沉积,以确定掺杂层的厚度、折射率和浓度。采用可变角度光谱椭圆偏振仪(VASE,Woollam M-2000UI)在晶圆中心测量,薄膜厚度为754±2nm,在波长1550nm处的折射率为1.724±0.001。通过测量978 nm处的吸收损耗,确定参考样品中的铒浓度为1.6 × 1020 ions/cm3,并将测得的损耗与之前使用卢瑟福背散射光谱法 (RBS) [37] 校准的铒浓度关联起来。采用电子束刻蚀 (EBL) 和反应离子刻蚀 (RIE) [24,34] 在掺杂的氧化铝 (Al2O3) 薄膜上刻蚀出一个长30 cm、面积为10.3×2.2 mm2 的螺旋波导。然后,采用高质量共形低压化学气相沉积 (LPCVD) TEOS 工艺在晶圆上沉积 SiO2 层 (约1 µm),再用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 沉积 SiO2 层 (约6 µm)。之后,将晶圆放入管式炉中在氮气气氛下进行退火。
图 3. a) Al2O3:Er3+ 单片集成到 Si3N4 无源平台上的制造工艺流程示意图。b) 垂直耦合器横截面 (CS1-CS4) 的假彩色 SEM 图像。
图 3(a) 展示了将 Al2O3:Er3+ 单片集成到 Si3N4 TriPleX 平台上的整体制造工艺。使用轮廓仪 (Veeco Dektak 8) 在芯片旁边的专用测试结构中测量 SiO2 隔离层厚度为 355 nm。图 3(b) 显示了耦合器垂直横截面的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。横截面采用聚焦离子束 (FIB) 铣削和抛光工艺制备。测量到的横向错位约为 1 µm,以确保模式失配损耗最小,如图 2(a) 所示。
4. 实验结果
采用标准测试结构,通过测量多个相同长度的波导螺旋的传输功率,表征了Si3N4波导的传播损耗。
结果表明,在1550 nm波长下,传播损耗为0.23 ± 0.05 dB/cm。
为了确定光纤到芯片的耦合损耗(μm),采用带有保偏光纤(PM15-U25D,康宁公司)的16通道光纤阵列,发射和收集来自位于波导输入和输出左右两侧的参考环的光,如图1(a)所示。使用工作在1470 nm - 1640 nm波长范围内的可调谐激光器(Agilent 8164B)作为光源。
图 4. a) 测量每个面的耦合损耗。阴影区域表示沿芯片面的变化。b) 测量用作 WDM 的定向耦合器的耦合比。实线表示用作合路器的定向耦合器,虚线表示用作分路器的定向耦合器。
图 4(a) 显示了测得的每面耦合损耗与波长的关系,结果表明,在测量的波长范围内,每面损耗低于 2 dB。同样,还对用作波分复用器 (WDM) 的定向耦合器进行了表征,该波分复用器用于合并和分离泵浦光和信号光。图 4(b) 显示了测得的耦合比(以分贝为单位)。结果表明,用于泵浦光注入螺旋放大器的端口损耗约为 0.5 dB,信号端口在 1570 nm 左右表现出最高的透射率。
图 5. a) 用于双向泵浦增益特性测量的装置。b) 内部净增益 随片上泵浦功率变化的两种不同信号功率。c) 内部净增益 随片上信号功率变化的曲线,片上泵浦功率恒定为 28.4 dBm。虚线 表示在片上输入信号功率为 -3 dBm 时发生的增益饱和。
用于表征集成放大器的光学装置如图 5(a) 所示。采用 1480 nm 波长的双向泵浦方案,使 30 cm 长的螺旋放大器完全反转。测量过程中采用光隔离器保护泵浦二极管。使用自由空间长通滤波器 (FELH1500,Thorlabs Inc.) 消除芯片输出后可能干扰测量的任何残余泵浦光。使用光谱分析仪 (OSA,Yokogawa AQ6375E) 分析放大信号,其分辨率为 0.1 nm,这是精确测量噪声系数所必需的[38]。使用校准的功率计测量装置中的光插入损耗,并在计算中进行补偿。 OSA 输入光纤接口 (𝛼𝑖𝑛) 的测量损耗为 0.41 dB,而放大信号 (𝛼𝑜𝑢𝑡) 的总损耗为 2.2 dB,其中包括 OSA 输出光纤接口之间的 0.57 dB 损耗。从输入 Si3N4 波导到输出 Si3N4 波导的内部净增益 (𝑔𝑛𝑒𝑡) 的测量值为 OSA 测得的输出功率与入射功率之比(以分贝为单位),并校正了装置的光插入损耗和光纤到芯片的耦合损耗。
图 5(b) 显示了在 1560 nm 信号波长下,当片上输入信号功率为 - 21.2 dBm 和 -1.2 dBm 时,测得的内部净增益与片上泵浦功率的关系。选择 1560 nm 波长是因为该波长的增益最高。在这两种情况下,增益均未完全饱和,这表明可以通过增加泵浦功率来实现更高的增益和输出功率,这超出了当前装置的能力范围。图 5(c) 显示了在 1560 nm 波长下,当片上泵浦功率为 28.4 dBm(约 691 mW)时,测得的内部净增益与片上输入信号功率的关系。增益饱和发生在片上输入信号功率为 -3 dBm 时。计算得出的峰值内部净增益为 16.33 ± 0.46 dB,对应测得的外部光纤间增益为 13.73 dB。
图 6. 片上输出信号功率随片上泵浦功率变化的关系 a) 两种不同输入信号功率水平下的片上泵浦功率 b) 片上输入信号功率随片上泵浦功率恒定变化的关系
图 6(a) 显示了 1560 nm 波长下两种不同输入信号电平下片上信号输出功率与片上泵浦功率的关系。图 6(b) 显示了同一波长下片上信号输出功率与片上输入信号功率的关系。测得的最大片上输出信号功率为 13.71 dBm(约 23.5 mW)。
图 7. a) 内部噪声系数与 1560 nm 片上输入信号功率的关系。b) 用于噪声系数计算的校准光谱,对应于 (a) 中标记的示例。
图 7(a) 显示了放大器在波长为 1560 nm 时的内部噪声系数 (NF)(以分贝为单位)与片上输入信号功率的关系。NF 采用 IEC 61290-10-4:2007 标准 [38] 中定义的插值源减法计算得出,计算公式如下:

其中 PASEamp 表示放大器添加的片上放大自发辐射 (ASE) 噪声,计算公式如下:
其中,PASE 表示在输出光纤处测量的 ASE 功率(单位为 dBm),并经系统损耗 (μS) 和光纤到芯片耦合损耗 (μS) 校正,在光带宽 B0 (Hz) 内;
gnet 表示在光频率 v (Hz) 下放大器的内部净增益(从 Si3N4 输入到 Si3N4 输出),单位为 dB。PSSE 表示入射信号的噪声功率(单位为 dBm),在芯片前测量,并经耦合损耗校正;ℎ 表示普朗克常数,单位为 mJ∙s。图 7(b) 显示了内部噪声系数测量的示例,对应于图 7(a) 中红色方块标记的点。经系统和耦合损耗校正后的光谱显示,片上输出信号功率为 0.3 dBm,片上输入信号功率为 -15.8 dBm,内部净增益为 16.1 dB。ASE 功率 (PASE) 为 -38.8 dBm,信号噪声功率 (PSSE) 为 -79.2 dBm,这些值是根据距信号峰值 4 nm 波长处的本底噪声插值得出的。将这些值代入公式,可得出 1560 nm 波长处的 NF 约为 3.1 dB。
图 8. a) 片上信号功率为 -21.2 dBm 时内部净增益随波长的变化。
图中还显示了 WDM 损耗的影响以及 EDWA 的提取增益。b) Si3N4 输入到 Si3N4 输出的内部噪声系数。c) 片上信号功率随波长的变化。绿色区域突出显示了实现片上增益的区域。
在保持28.4 dBm恒定片上泵浦功率的情况下,集成光放大器的增益性能表征为1520 nm - 1640 nm范围内小信号(片上信号功率约为-21.2 dBm)信号波长的函数。图8(a)显示,内部净增益带宽约为80 nm。为了进行这些计算,图4(a)中与波长相关的耦合损耗进行了相应的补偿。内部净增益受WDM光谱响应的影响,这也显示在图8(a)中。通过补偿WDM损耗,可以确定掺铒波导放大器(𝑔𝐸𝐷𝑊𝐴)的固有增益,其中包括垂直耦合器的损耗。计算出的噪声系数与报道的相同长度和类似铒浓度的螺旋波导的结果[34]吻合得很好,这表明垂直耦合器引入的损耗最小。此外,优化WDM设计可以将增益带宽扩展至100nm,覆盖整个C波段和L波段。图8(b)显示了内部噪声系数(从Si3N4输入到Si3N4输出)随信号波长的变化。在某些波长下,NF降至3dB以下,这可以归因于WDM充当了无源噪声滤波器,有效地改善了片上系统的噪声系数。图8(c)显示了片上信号输出功率随信号波长的变化,突出显示了实现片上增益的区域。
5. 总结
我们展示了将多晶Al2O3:Er3+波导放大器单片集成到Si3N4 TriPleX平台上,实现了光子集成电路的高性能片上放大。该放大器长30厘米,采用反应磁控共溅射工艺制造,集成了片上波分复用器(WDM)以实现高效的泵浦和信号路由,以及低损耗垂直耦合器以实现无缝模式传输。实验结果表明,小信号内部净增益超过16 dB,增益带宽为80 nm,噪声系数约为3 dB。由于WDM充当无源噪声滤波器,噪声系数降至3 dB以下。通过进一步优化WDM设计,增益带宽可扩展至100 nm,覆盖整个C波段和L波段。这些成果标志着全集成稀土掺杂放大器领域的重大进步,为下一代有源-无源光子电路提供了可扩展且与硅兼容的解决方案。