本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)放大器裝置和波導(dǎo)放大器制造方法，以及一種基于光子集成電路的稀土摻雜放大器及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、摻鉺光纖放大器已經(jīng)徹底改變了長(zhǎng)途光通信和激光技術(shù)。鉺離子同樣可以為光子集成電路中的高效光放大提供基礎(chǔ)。然而，由于輸出功率不足，這種方法迄今為止仍然不切實(shí)際。

2、20世紀(jì)80年代摻鉺光纖放大器(edfa)的創(chuàng)新(1,2)已經(jīng)徹底改變了長(zhǎng)途光通信，并對(duì)我們的信息社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。edfa取代了復(fù)雜且?guī)捰邢薜碾娭欣^器，能夠?qū)崿F(xiàn)跨大西洋基于光纖的光通信網(wǎng)絡(luò)(3)。鉺放大器具有許多非常適合光通信的獨(dú)特特性，例如，與最低光纖傳播損耗帶相一致的1550nm左右的寬帶增益、導(dǎo)致多波長(zhǎng)放大中的增益動(dòng)態(tài)緩慢和可忽略不計(jì)的信道間串?dāng)_的宇稱(chēng)禁阻4-f殼層內(nèi)4i15/2-4i13/2躍遷的長(zhǎng)ms壽命、高溫穩(wěn)定性和接近相位不敏感放大的3db量子力學(xué)極限的低噪聲系數(shù)(4)。

3、如今，edfa為窄線寬和鎖模激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，窄線寬和鎖模激光器廣泛應(yīng)用于相干通信(3)、干涉測(cè)量感測(cè)和光頻率計(jì)量(5)等應(yīng)用。稀土離子摻雜(6,7)同樣可以為緊湊型摻鉺波導(dǎo)放大器(edwa)(8)提供基礎(chǔ)。事實(shí)上，早在20世紀(jì)90年代，人們就已開(kāi)始努力實(shí)現(xiàn)基于氧化物玻璃波導(dǎo)的edwa(9,10)。然而，這些方法受到波導(dǎo)背景損耗大、裝置占用面積大以及與當(dāng)代光子集成電路不兼容的限制(11)，最終被放棄。隨著si3n4cmos兼容光子集成電路平臺(tái)的出現(xiàn)，人們對(duì)edwa的興趣再次升溫，它比硅具有優(yōu)勢(shì)，包括透明窗口更寬(12)、電信波段內(nèi)沒(méi)有雙光子吸收、溫度敏感性更低、功率處理高達(dá)數(shù)十瓦(13)，并且最重要的是，獲得在米級(jí)長(zhǎng)度上可以保持僅為<3db/m的低傳播損耗(14)。

4、實(shí)現(xiàn)基于光子集成電路的鉺放大器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是由于協(xié)同上轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的摻雜濃度約束導(dǎo)致所能實(shí)現(xiàn)的增益有限(15)。這一限制需要具有低傳播損耗的波導(dǎo)和長(zhǎng)度為數(shù)十厘米到米的長(zhǎng)波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)大增益和高輸出功率，這在集成光子學(xué)中一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)顯示出凈增益(并且非常顯著)，但迄今為止使用鉺摻雜的al2o3(16,17)和teo2(18)等材料的所有先前工作都僅實(shí)現(xiàn)了非常有限的輸出功率，通常<1mw。盡管摻雜濃度高，但過(guò)去使用原子層沉積al2o3和er2o3層(17)或單晶氯化鉺硅酸鹽納米線(19)的嘗試僅提供＜＜1μw的輸出功率。這樣的輸出功率遠(yuǎn)低于許多應(yīng)用所需要的水平，即通過(guò)將iii-v放大器異質(zhì)集成到硅光子學(xué)上而實(shí)現(xiàn)的10-100mw范圍(20-22)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明通過(guò)提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器和根據(jù)權(quán)利要求48所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器的制造方法來(lái)解決上述限制。該波導(dǎo)放大器確保了多種應(yīng)用所需的輸出功率。

2、可以在從屬權(quán)利要求中找到其他有利特征。

3、本公開(kāi)展示了波導(dǎo)放大器，例如，基于光子集成電路的鉺放大器，其達(dá)到145mw輸出功率和超過(guò)30db的小信號(hào)增益——與商用光纖放大器相當(dāng)并超越了現(xiàn)有技術(shù)的iii-v異質(zhì)集成半導(dǎo)體放大器。這是通過(guò)將離子注入應(yīng)用于si3n4光子集成電路(例如，可以例如具有米級(jí)長(zhǎng)度的波導(dǎo)的超低損耗si3n4光子集成電路)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本公開(kāi)的裝置例如用于將孤子微梳的輸出功率提高100倍，這是低噪聲光子微波產(chǎn)生或作為波分復(fù)用光通信源所需的。

4、賦予si3n4光子集成電路增益可實(shí)現(xiàn)各種基于光纖的裝置(例如高脈沖能量飛秒鎖模激光器)的小型化。

5、根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)示例性波導(dǎo)放大器涉及基于光子集成電路的er:si3n4波導(dǎo)放大器，其可提供高達(dá)145mw的片上輸出功率和超過(guò)30db的小信號(hào)增益。光子集成電路提供的設(shè)計(jì)自由度允許采用多級(jí)配置，以?xún)?yōu)化增益和光信噪比。

6、此外，本公開(kāi)的波導(dǎo)放大器制造方法的離子注入技術(shù)可以允許將其他稀土離子與鉺離子共摻雜，例如鐿(在1.1μm發(fā)射)和銩(0.8μm、1.45μm和2.0μm)，從而額外在其他波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)提供增益。

7、公開(kāi)的si3n4中的離子注入方法可以用作各種集成激光源(例如高功率孤子微梳、低噪聲基于稀土離子的cw激光器、飛秒鎖模激光器(28)或腔孤子激光器(29))中的增益介質(zhì)。同樣重要的是，該有源si3n4光子平臺(tái)與薄膜異質(zhì)集成(例如薄膜鈮酸鋰)兼容，從而能夠在相同芯片上結(jié)合高速電光調(diào)制和放大，用于相干通信(27)或射頻分配(30)。

8、通過(guò)參考附圖(其示出本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例)研究以下描述，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)它們的方式將變得更加明顯，并且將最好地理解本發(fā)明本身。

技術(shù)特征：

1.一種光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，注入的稀土離子(7)由鉺、鐿或銩組成；或者包括以下中的至少一種：鉺、鐿、銩。

3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，嵌入的氮化硅波導(dǎo)芯(wc)在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)內(nèi)部并遠(yuǎn)離支撐表面(ss)延伸，以限定外或上氮化硅表面(s1)，所述外或上氮化硅表面與由所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定的外或上表面(s2)基本處于相同水平。

4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)遠(yuǎn)離支撐表面(ss)延伸，以限定位于距所述支撐表面(ss)在包覆高度(ch)處的外或上包覆表面(s2)，并且其中，嵌入的氮化硅波導(dǎo)芯(wc)在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)內(nèi)部并遠(yuǎn)離所述支撐表面(ss)延伸，以限定位于高度水平(lw)處的外或上氮化硅表面(s1)，所述高度水平的值介于所述包覆高度(ch)的0.01倍和1.0倍之間，高度值從所述支撐表面(ss)測(cè)量。

5.根據(jù)前述權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，嵌入的氮化硅波導(dǎo)芯(wc)填充所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)的凹部或凹陷(9)，以限定外或上氮化硅表面(s1)，所述外或上氮化硅表面(s1)與由所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定的外或上表面(s2)基本處于相同水平。

6.根據(jù)前述權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)或權(quán)利要求5所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定具有凹部高度(hr)的至少一個(gè)凹部或凹陷(9)，并且嵌入的氮化硅波導(dǎo)芯(wc)填充所述至少一個(gè)凹部或凹陷(9)，以限定位于高度水平(lw)處的外或上氮化硅表面(s1)，所述高度水平的值介于所述凹部高度(hr)的0.8倍和1.1倍之間，高度值從所述凹部(9)的底板(fl)測(cè)量。

7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，由所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)臃鈬牟▽?dǎo)芯(wc)被配置為在所述波導(dǎo)放大器(1)的細(xì)長(zhǎng)光傳播方向(pd)上傳播放大的光。

8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定所述波導(dǎo)放大器(1)的有源材料或有源層，或所述波導(dǎo)放大器(1)的光學(xué)增益介質(zhì)。

9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)包括不直接接觸所述包覆材料或?qū)?3)的外或上氮化硅表面(s1)，所述外或上氮化硅表面遠(yuǎn)離所述包覆材料或?qū)?3)向外呈弓形或突出。

10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定或包括與嵌入的氮化硅波導(dǎo)芯(wc)的上半部和下半部接觸的至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)(sp)，其中，所述至少一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)(sp)從嵌入的氮化硅波導(dǎo)芯(wc)的上半部和下半部橫向延伸，并從其延伸大于嵌入的氮化硅波導(dǎo)芯(wc)的截面寬度(w)的0.25倍的距離(ld)。

11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定向內(nèi)漸縮的截面結(jié)構(gòu)，所述截面結(jié)構(gòu)從外或上氮化硅表面(s1)并在所述包覆材料或?qū)?3)內(nèi)部且在垂直于光細(xì)長(zhǎng)傳播方向(pd)的截面方向上延伸，所述截面結(jié)構(gòu)從所述外或上氮化硅表面(s1)漸縮到所述包覆材料或?qū)?3)內(nèi)部的減小的寬度。

12.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定沿著在細(xì)長(zhǎng)光傳播方向(pd)上延伸的所述波導(dǎo)放大器(1)的整個(gè)長(zhǎng)度的向內(nèi)漸縮的截面結(jié)構(gòu)。

13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定內(nèi)截面寬度(wi)和外截面寬度(wo)，其中，所述內(nèi)截面寬度(wi)短于所述外截面寬度(wo)。

14.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述內(nèi)截面寬度(wi)比所述外截面寬度(wo)短2.5％和20％之間，或比所述外截面寬度(wo)短5％和15％之間，或比所述外截面寬度(wo)短5％和10％之間。

15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定或包括第一向外發(fā)散的橫向側(cè)壁和第二向外發(fā)散的橫向側(cè)壁(sw1a，sw2a)，并且所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定或包括第一向外發(fā)散的橫向側(cè)壁和第二向外發(fā)散的橫向側(cè)壁(sw1b，sw2b)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)的所述第一向外發(fā)散的橫向側(cè)壁和第二向外發(fā)散的橫向側(cè)壁(sw1a，sw2a)分別機(jī)械地支撐所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)的第一向外發(fā)散的橫向側(cè)壁和第二向外發(fā)散的橫向側(cè)壁(sw1a，sw2a)。

16.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)的所述第一向外發(fā)散的橫向側(cè)壁和第二向外發(fā)散的橫向側(cè)壁(sw1b，sw2b)同時(shí)與所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)的所述第一向外發(fā)散的橫向側(cè)壁和第二向外發(fā)散的橫向側(cè)壁(sw1a，sw2a)發(fā)散并直接接觸。

17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定或包括至少一個(gè)向外發(fā)散的橫向側(cè)壁(sw1a，sw2a)，所述至少一個(gè)向外發(fā)散的橫向側(cè)壁相對(duì)于包覆材料或?qū)?3)的底板(fl)限定傾斜角(α,β)，所述傾斜角(α,β)大于或等于92°且小于或等于100°。

18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定或包括基部(bs)，并且所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定或包括底板(fl)，所述基部(bs)與包覆材料或?qū)?3)的所述底板(fl)直接接觸，以機(jī)械支撐所述基部(bs)。

19.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，還包括至少一個(gè)無(wú)源或非放大部件(15)，所述無(wú)源或非放大部件包括連接到所述嵌入的稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)的嵌入的非離子注入的氮化硅材料或?qū)?5a)，所述無(wú)源或非放大部件(15)具有表示為嵌入的非離子注入的氮化硅材料或?qū)?5a)的分?jǐn)?shù)wo/wi的寬度比，所述寬度比小于嵌入的稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)的寬度比。

20.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述無(wú)源或非放大部件(15)的嵌入的非離子注入的氮化硅材料或?qū)?5a)的橫向側(cè)壁(sw1a，sw2a)的傾斜角(α)小于所述嵌入的稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)的橫向側(cè)壁(sw1a，sw2a)的傾斜角，所述傾斜角(α)相對(duì)于所述嵌入包覆材料或?qū)?3)的底板(fl)測(cè)量。

21.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定所述波導(dǎo)放大器(1)的光無(wú)源波導(dǎo)區(qū)域或部分。

22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述注入的稀土離子(7)位于所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)內(nèi)部的至少中間距離處。

23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)被配置或尺寸確定為支持在所述波導(dǎo)放大器(1)的截面方向上的基本橫向電(te)光波導(dǎo)模式。

24.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述注入的稀土離子(7)位于所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)中，以與所述基本橫向電(te)光波導(dǎo)模式在空間上重疊。

25.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，空間重疊為至少25％、或至少40％、或至少50％、或至少60％。

26.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，至少85％、或至少90％、或至少95％的注入的稀土離子(7)位于所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)中，以在放大中呈光學(xué)活性。

27.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)又械南⊥岭x子注入濃度在0.1×1020cm-3和3.5×1020cm-3之間。

28.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)承載在0.1原子百分比和0.3原子百分比之間的稀土原子。

29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)和所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)沿著光傳播方向(pd)縱向延伸在0.1m和0.6m之間的距離。

30.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)和所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)以基本上筆直和/或彎曲的方式延伸。

31.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)和所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)沿著光傳播方向(pd)縱向延伸以限定螺旋和/或線圈布置。

32.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)包括光輸入耦合接口或端口(17a)和/或放大光輸出耦合接口或端口(17b)。

33.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)限定基本平面的光波導(dǎo)芯。

34.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)和所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)在細(xì)長(zhǎng)方向(pd)上延伸，以沿著所述細(xì)長(zhǎng)方向傳播光。

35.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定或包括在光傳播方向(pd)上延伸的至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)凹部或凹陷(9)，并且所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)嵌入在細(xì)長(zhǎng)凹部(9)中。

36.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定或包括應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(21)，所述應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)包括形成在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的多個(gè)凹口(23)。

37.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，包括至少一個(gè)包覆/鈍化材料或?qū)?fc)，所述至少一個(gè)包覆/鈍化材料或?qū)?fc)疊加在嵌入的至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)和至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)上。

38.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)包覆/鈍化材料或?qū)?fc)和/或所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)是所述波導(dǎo)放大器(1)的光學(xué)無(wú)源元件或部件。

39.根據(jù)前述權(quán)利要求37至38中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)包覆/鈍化材料或?qū)?fc)和/或所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)包括二氧化硅(sio2)或由二氧化硅組成。

40.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，還包括支撐層或基板(19)，所述支撐層或基板支撐所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)和所述至少一個(gè)嵌入的稀土離子注入氮化硅材料或?qū)?5)。

41.根據(jù)前述權(quán)利要求1至36中任一項(xiàng)或權(quán)利要求40所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，其中，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)包括無(wú)嵌入包覆材料的外或上氮化硅表面(s1)。

42.一種光子集成電路(pic)，所述光子集成電路包括至少一個(gè)根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)。

43.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路(pic)，還包括光學(xué)耦合到或包括至少一個(gè)光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)的至少一個(gè)集成氮化硅部件或裝置。

44.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路(pic)，其中，所述至少一個(gè)集成氮化硅部件或裝置包括孤子微梳發(fā)生器、電光調(diào)制器或激光源，或者由孤子微梳發(fā)生器、電光調(diào)制器或激光源組成。

45.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路(pic)，其中，所述電光調(diào)制器包括鈮酸鋰電光調(diào)制器或由鈮酸鋰電光調(diào)制器組成。

46.一種集成光學(xué)裝置或集成激光源，所述集成光學(xué)裝置或集成激光源包括至少一個(gè)根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)，至少一個(gè)光子集成電路波導(dǎo)放大器充當(dāng)增益介質(zhì)。

47.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的集成光學(xué)裝置或集成激光源，其中，所述集成光學(xué)裝置或集成激光源包括孤子微梳、稀土cw激光器、飛秒鎖模激光器或腔孤子激光器，或者由孤子微梳、稀土cw激光器、飛秒鎖模激光器或腔孤子激光器組成。

48.一種光子集成電路波導(dǎo)放大器的制造方法，包括：

49.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，稀土離子注入通過(guò)對(duì)所述至少一個(gè)嵌入或埋置的氮化硅材料或?qū)?5a)的至少一個(gè)直接被暴露或未被覆蓋的表面(s1a)離子輻照來(lái)進(jìn)行，以形成嵌入或埋置在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)。

50.根據(jù)權(quán)利要求48所述的方法，其中，稀土離子注入通過(guò)對(duì)提供或沉積在所述至少一個(gè)嵌入或埋置的氮化硅材料或?qū)?5a)的所述至少一個(gè)表面(s1a)上的至少一個(gè)包覆材料或?qū)?fc)離子輻照來(lái)進(jìn)行，以形成嵌入或埋置在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)。

51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中，所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?fc)直接提供或沉積在所述至少一個(gè)嵌入或掩埋的氮化硅材料或?qū)?5a)的所述至少一個(gè)表面(s1a)上。

52.根據(jù)前述權(quán)利要求48至51中任一項(xiàng)所述的方法，其中，提供的嵌入的氮化硅(5a)在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)內(nèi)部并遠(yuǎn)離支撐表面(ss)延伸，以限定外或上氮化硅表面(s1a)，所述外或上氮化硅表面(s1a)與由所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定的外或上表面(s2a)基本處于相同水平。

53.根據(jù)前述權(quán)利要求48至52中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)遠(yuǎn)離支撐表面(ss)延伸，以限定位于距所述支撐表面(ss)在包覆高度(ch)處的外或上包覆表面(s2a)，并且其中，嵌入的氮化硅(5a)在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)內(nèi)部并遠(yuǎn)離所述支撐表面(ss)延伸，以限定位于高度水平(lw)處的外或上氮化硅表面(s1a)，所述高度水平的值介于所述包覆高度(ch)的0.01倍和1.0倍之間，高度值從所述支撐表面(ss)測(cè)量。

54.根據(jù)前述權(quán)利要求48至51中任一項(xiàng)所述的方法，其中，提供的嵌入的氮化硅(5a)填充所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)的凹部或凹陷(9)，以限定上或外氮化硅表面(s1a)，所述上或外氮化硅表面(s1a)與由所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定的外或上表面(s2a)基本處于相同水平。

55.根據(jù)前述權(quán)利要求48至51中任一項(xiàng)或權(quán)利要求54所述的方法，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定具有凹部高度(hr)的至少一個(gè)凹部或凹陷(9)，并且提供的嵌入的氮化硅材料或?qū)?5a)填充所述至少一個(gè)凹部或凹陷(9)，以限定位于高度水平(lw1)處的外或上氮化硅表面(s1a)，所述高度水平(lw1)的值介于凹部高度(hr)的0.8倍和1.1倍之間，高度值從凹部(9)的底板(fl)測(cè)量。

56.根據(jù)前述權(quán)利要求48至55中任一項(xiàng)所述的方法，還包括對(duì)嵌入或埋置在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)進(jìn)行退火，以減少注入缺陷光損耗。

57.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，退火在800°和1250°c之間的溫度下進(jìn)行。

58.根據(jù)前述權(quán)利要求56至57中任一項(xiàng)所述的方法，其中，退火在氧氣環(huán)境中進(jìn)行。

59.根據(jù)前述權(quán)利要求56至58中任一項(xiàng)所述的方法，其中，進(jìn)行退火的持續(xù)時(shí)間在30和90分鐘之間。

60.根據(jù)權(quán)利要求48至59中任一項(xiàng)所述的方法，其中，稀土離子(7)包括鉺、鐿或銩，或者由鉺、鐿或銩組成。

61.根據(jù)前述權(quán)利要求48至60中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述稀土離子注入通過(guò)朝向所述至少一個(gè)表面(s1a)加速稀土離子(7)進(jìn)行，以向所述至少一個(gè)表面提供離子注入通量，從而在至少一個(gè)嵌入或掩埋的氮化硅材料或?qū)?5a)內(nèi)部進(jìn)行離子注入。

62.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述稀土離子注入在多個(gè)不同的稀土離子加速度值下進(jìn)行，以限定與波導(dǎo)放大器(1)的光波導(dǎo)模式在空間上重疊的離子注入濃度空間分布。

63.根據(jù)前述權(quán)利要求48至62中任一項(xiàng)所述的方法，其中，稀土離子注入在0.1mev和2.5mev之間的稀土離子加速度值下進(jìn)行。62.根據(jù)前述權(quán)利要求48至61中任一項(xiàng)的方法，其中，稀土離子注入在確保稀土離子通量在1.5×1015cm-2和5×1015cm-2之間的稀土離子加速度值下進(jìn)行。

64.根據(jù)前述權(quán)利要求48至63中任一項(xiàng)所述的方法，其中，進(jìn)行稀土離子注入以在所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)又刑峁┰?.1×1020cm-3和3.5×1020cm-3之間的稀土離子注入濃度。

65.根據(jù)前述權(quán)利要求48至64中任一項(xiàng)所述的方法，其中，進(jìn)行稀土離子注入以提供至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?，所述至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)映休d在0.1原子百分比和0.3原子百分比之間的稀土原子。

66.根據(jù)前述權(quán)利要求48至65中任一項(xiàng)所述的方法，其中，稀土離子注入作為晶片級(jí)注入工藝進(jìn)行。

67.根據(jù)前述權(quán)利要求48至66中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在稀土離子注入之后，將至少一個(gè)包覆/鈍化材料或?qū)?fc)疊加在嵌入的至少一個(gè)稀土離子的注入氮化硅材料或?qū)?5)和至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)上。

68.根據(jù)前述權(quán)利要求48至67中任一項(xiàng)所述的方法，包括在稀土離子注入期間進(jìn)行選擇性掩蔽以形成：(i)至少一個(gè)第一部分，所述至少一個(gè)第一部分包括嵌入或埋置在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?5)，以及(ii)至少一個(gè)第二部分，所述至少一個(gè)第二部分包括嵌入或埋置在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的至少一個(gè)未注入的氮化硅材料或?qū)?5a)。

69.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，嵌入或埋置在所述第一部分的所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的氮化硅材料或?qū)?5)與嵌入或埋入在所述第二部分的所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的氮化硅材料或?qū)?5a)光學(xué)耦合。

70.根據(jù)前述權(quán)利要求48至69中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在進(jìn)行稀土離子注入之前，進(jìn)行退火以從所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)和/或嵌入在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的所述至少一個(gè)氮化硅材料或?qū)?5a)除去氫。

71.根據(jù)前述權(quán)利要求48至70中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)限定或包括應(yīng)力釋放凹陷結(jié)構(gòu)(21)，所述應(yīng)力釋放凹陷結(jié)構(gòu)包括形成在所述至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的多個(gè)凹口或凹陷(23)。

72.根據(jù)前述權(quán)利要求48至71中任一項(xiàng)所述的方法，其中，提供包括嵌入或埋置在至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)中的至少一個(gè)氮化硅材料或?qū)?5a)的至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)的步驟包括：

73.根據(jù)權(quán)利要求72所述的方法，還包括對(duì)沉積的氮化硅波導(dǎo)材料進(jìn)行平坦化的步驟。

74.根據(jù)權(quán)利要求72或73所述的方法，還包括在沉積氮化硅波導(dǎo)材料之前將熱能施加到所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?3)的步驟，以允許至少一個(gè)波導(dǎo)凹部的被暴露表面回流，從而降低波導(dǎo)放大器(1)的光損耗。

75.根據(jù)權(quán)利要求72至74中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(23)包括形成在所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)中的多個(gè)凹口或凹陷(23)。

76.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，從所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)的外表面測(cè)量的應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(21)的多個(gè)凹口中的凹口(23)的深度基本等于或大于從所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)的外表面測(cè)量的至少一個(gè)波導(dǎo)凹部(9)的深度。

77.根據(jù)前述權(quán)利要求75至76中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(21)封圍所述至少一個(gè)波導(dǎo)凹部(9)。

78.根據(jù)權(quán)利要求75至77中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)還包括在應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(21)和波導(dǎo)凹部(9)之間的無(wú)凹部區(qū)。

79.根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，所述無(wú)凹部區(qū)將所述應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(21)和所述至少一個(gè)波導(dǎo)凹部(9)分開(kāi)距離d，其中，50μm<d<2μm。

80.根據(jù)權(quán)利要求75至79中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一個(gè)波導(dǎo)凹部(9)和所述應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(21)位于相同平面中。

81.根據(jù)權(quán)利要求75至80中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述多個(gè)凹口(23)在所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)上規(guī)則地或不規(guī)則地彼此間隔開(kāi)。

82.根據(jù)權(quán)利要求75至81中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述多個(gè)凹口(23)在所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)上形成至少一個(gè)重復(fù)的凹口圖案。

83.根據(jù)權(quán)利要求75至82中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述多個(gè)凹口(23)在所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)上形成棋盤(pán)格結(jié)構(gòu)或布局。

84.根據(jù)權(quán)利要求72至83中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟：提供包括至少一個(gè)波導(dǎo)凹部和應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)的硬掩模層，以及使用所述硬掩模層和干等離子蝕刻或濕蝕刻在所述至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)中形成所述至少一個(gè)波導(dǎo)凹部(9)和所述應(yīng)力釋放凹部結(jié)構(gòu)(21)。

85.根據(jù)權(quán)利要求73至84中任一項(xiàng)所述的方法，其中，沉積的氮化硅波導(dǎo)材料的平坦化使用機(jī)械平坦化和化學(xué)平坦化進(jìn)行。

86.根據(jù)權(quán)利要求48至85中任一項(xiàng)所述的方法，其中，提供或沉積在至少一個(gè)嵌入或埋置的氮化硅材料或?qū)?5a)上的至少一個(gè)包覆材料或?qū)?25)、至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?3)和/或至少一個(gè)包覆材料或?qū)?fc)包括二氧化硅(sio2)或由二氧化硅組成。

87.根據(jù)權(quán)利要求84至86中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述硬掩模層包括非晶硅(asi)。

88.一種根據(jù)權(quán)利要求48至87中任一項(xiàng)所述的方法制造的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)。

89.一種包括至少一個(gè)根據(jù)前一項(xiàng)權(quán)利要求所述的光子集成電路波導(dǎo)放大器(1)的裝置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)放大器，包括：?至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)?，以?嵌入在至少一個(gè)嵌入包覆材料或?qū)又械闹辽僖粋€(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)?，該至少一個(gè)稀土離子注入的氮化硅材料或?qū)酉薅ㄓ芍辽僖粋€(gè)嵌入包覆材料或?qū)臃鈬牟▽?dǎo)芯。

技術(shù)研發(fā)人員：T·基彭貝格,劉陽(yáng),邱哲儒,紀(jì)歆茹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19