CN114221204B - 光波导放大器及其制作方法 - Google Patents

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CN114221204B CN202111520608.3A CN202111520608A CN114221204B CN 114221204 B CN114221204 B CN 114221204B CN 202111520608 A CN202111520608 A CN 202111520608A CN 114221204 B CN114221204 B CN 114221204B
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Abstract

本公开实施例公开了一种光波导放大器及其制作方法，所述光波导放大器包括：衬底；位于所述衬底上、且沿平行于所述衬底的第一方向并列排布的至少两个光波导；其中，相邻的两个所述光波导之间具有间隙；位于所述间隙内的、掺杂稀土元素的掺杂介质层；其中，在垂直于所述衬底的第二方向上，所述掺杂介质层的高度大于或者等于所述光波导的高度；所述掺杂介质层的折射率小于所述光波导的折射率；石墨烯层，覆盖并接触所述掺杂介质层；第一电极，与所述石墨烯层电连接；第二电极，与所述衬底接触。

Description

光波导放大器及其制作方法
技术领域
本公开实施例涉及光电子技术领域，特别涉及一种光波导放大器及其制作方法。
背景技术
随着片上光通信技术的快速发展和大规模光子电路集成度的不断提高，光电子器件越来越多地集成在硅基平台上，实现了丰富的片上系统功能。然而，随着片上器件的日益普及，器件之间的传输和耦合损耗已成为一个日益严重的问题，迫切需要高效片上放大器来补偿这些损失。
近年来，掺杂稀土元素的光波导放大器逐渐成为硅光系统中放大器件的一大核心竞争力。相较于混合集成的半导体材料，硅基掺杂稀土元素的光波导放大器可单片集成，具有更好的工艺兼容性。由于稀土离子具有较长的激发态寿命，因此，在光放大过程中，掺杂稀土元素的光波导放大器具有较长的增益恢复时间，在数据传输时，可以使放大器保持在非饱和小信号增益模式下工作，进而使放大器拥有更高的速率，更适用于当今光通信的高速、大带宽需求。
然而，掺杂稀土元素的增益材料本身为绝缘介质，导电性较差，很难直接对其进行电驱动，限制了该类光波导在高速光传输系统中的应用。因此，如何实现对掺杂稀土元素的光波导放大器的高速电调制，成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种光波导放大器及其制作方法。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种光波导放大器，所述光波导放大器包括：
衬底；
位于所述衬底上、且沿平行于所述衬底的第一方向并列排布的至少两个光波导；其中，相邻的两个所述光波导之间具有间隙；
位于所述间隙内的、掺杂稀土元素的掺杂介质层；其中，在垂直于所述衬底的第二方向上，所述掺杂介质层的高度大于或者等于所述光波导的高度；所述掺杂介质层的折射率小于所述光波导的折射率；
石墨烯层，覆盖并接触所述掺杂介质层；
第一电极，与所述石墨烯层电连接；
第二电极，与所述衬底接触。
在一些实施例中，掺杂的所述稀土元素包括以下至少之一：
铒；镨；铥；镱；钇；镥；钕；镧。
在一些实施例中，所述光波导为条形光波导，所述光波导的延伸方向为平行于所述衬底的第三方向，所述第三方向与所述第一方向垂直；其中，所述光波导在垂直于所述第三方向的平面上的截面为矩形。
在一些实施例中，所述掺杂介质层包覆所述光波导，并覆盖所述衬底的部分表面。
在一些实施例中，所述第一电极位于所述石墨烯层表面，覆盖至少部分所述石墨烯层表面。
在一些实施例中，所述第二电极位于所述衬底表面，且位于所述光波导的一侧，并与所述掺杂介质层相隔离。
在一些实施例中，所述石墨烯层为单层碳原子排列形成的膜层。
在一些实施例中，所述光波导的组成材料为含硅的硅基光波导材料，包括：
硅或者氮化硅。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种光波导放大器的制作方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成至少两个沿平行于所述衬底方向并列排布的光波导；其中，相邻的两个所述光波导之间具有间隙；
以掺杂稀土元素的掺杂介质材料填充所述间隙，形成掺杂介质层；其中，在垂直于所述衬底的方向上，所述掺杂介质层的高度大于或者等于所述光波导的高度；所述掺杂介质层的折射率小于所述光波导的折射率；
形成覆盖并接触所述掺杂介质层的石墨烯层；
形成与所述石墨烯层电连接的第一电极；
形成与所述衬底接触的第二电极。
在一些实施例中，形成所述光波导的方法包括：
在所述衬底上形成光波导层，蚀刻所述光波导层，以形成贯穿所述光波导层的间隙；其中，所述光波导层被所述间隙隔断，以形成所述光波导。
本公开实施例提供一种光波导放大器，在相邻的两个光波导之间的间隙中设置有掺杂介质层，通过掺杂介质层中掺杂的稀土离子作为光信号的增益物质对光信号进行增强以实现光信号的放大作用。并且，掺杂介质层与相邻的两个光波导形成较高的折射率对比度，以形成较好的狭缝结构，利用狭缝结构的强光场限制作用来减少光信号的损失，提高掺杂介质层中掺杂离子对光信号的放大作用。相较于相关技术，本公开实施例设置覆盖并接触掺杂介质层的石墨烯层，通过电极施加外加偏压来调控石墨烯层的费米能级，改变石墨烯层与掺杂介质层之间的互相作用状态，从而调制掺杂介质层的光放大效果，以此实现对光波导放大器的电调控作用。
附图说明
图1a和图1b是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器的结构示意图；
图2a和图2b是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器的结构示意图；
图3是根据本公开实施例示出的一种光波导放大系统的示意图；
图4是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器在不同外加偏压下的工作状态转换示意图；
图5是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器不同工作状态下的发光强度仿真预测结果示意图；
图6是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器发光对比度的变化仿真预测结果示意图；
图7是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器的电调制效果示意图；
图8是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器的制作方法的流程示意图；
图9a至图9f是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器的制作方法的示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例对本公开的技术方案做进一步的详细阐述。
在本公开实施例中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。
在本公开实施例中，术语“A与B接触”包含A与B直接接触的情形，或者A、B两者之间还间插有其它部件而A间接地与B接触的情形。
在本公开实施例中，术语“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可以在下方或上方结构的整体之上延伸，或者可以具有小于下方或上方结构范围的范围。此外，层可以是厚度小于连续结构厚度的均质或非均质连续结构的区域。例如，层可位于连续结构的顶表面和底表面之间，或者层可在连续结构顶表面和底表面处的任何水平面对之间。层可以水平、垂直和/或沿倾斜表面延伸。并且，层可以包括多个子层。
可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示其“在”某物“上”且其间没有居间特征或层(即直接在某物上)的含义，而且还包括“在”某物“上”且其间有居间特征或层的含义。
需要说明的是，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。
本公开实施例提供一种光波导放大器。参照图1a和图1b所示，该光波导放大器包括：
衬底10；
位于衬底10上、且沿平行于衬底10的第一方向并列排布的至少两个光波导11；其中，相邻的两个光波导11之间具有间隙；
位于该间隙内的、掺杂稀土元素的掺杂介质层12；其中，在垂直于衬底10的第二方向上，掺杂介质层12的高度大于或者等于光波导11的高度；掺杂介质层12的折射率小于光波导11的折射率；
石墨烯层13，覆盖并接触掺杂介质层12；
第一电极14，与石墨烯层13电连接；
第二电极15，与衬底10接触。
在一些实施例中，衬底10可以是氧化物衬底，组成材料包括但不限于：氧化硅或者氧化铝。在另外一些实施例中，可以采用带有氧化硅膜层或者氧化铝膜层的半导体衬底、蓝宝石衬底和玻璃衬底中的任意一种。其中，半导体衬底又可以包括：单质半导体材料(例如硅、锗)、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料、有机半导体材料或者本领域已知的其它半导体材料。本领域技术人员可以根据实际应用工况和设计要求自行选择，本实施例不作限制。
参照图1a和图1b所示，示出的两个光波导11只是为了对本公开实施例进行示例性说明。在一些实施例中，本领域技术人员可以根据实际的光放大需求，设置更多的光波导11，在此不作数量的限制。
相邻的两个光波导11之间具有间隙，间隙内具有比光波导11折射率小的掺杂介质层12，以构成具有折射率差异的狭缝结构。常规的无狭缝光波导结构，是利用高折射率差产生的全反射，将光波导中的光场限制在高折射率材料中。与此不同的是，具有狭缝的光波导结构是利用垂直于不同介质的界面处的电场会产生突变的特性，将极强的光场限制在狭缝(间隙)内的低折射率材料中，减少光信号的损失。
参照图2a和图2b所示，狭缝宽度可以用在平行于衬底10方向上的间隙宽度D1表征。当狭缝宽度缩小到几百纳米时，光波导11与填充在该狭缝中的掺杂介质层12的界面处的强电场会发生较强耦合谐振，使得狭缝内的低折射率材料区域电场急剧增强，利于光信号的增强放大。
狭缝光波导结构具有较好的光场限制作用和电场增强作用，不仅可应用于光波导放大器，还可应用于如慢光器件、传感器、逻辑门、调制器、探测器以及耦合器等，并以此衍生出多种其他的狭缝结构的光波导器件，包括多狭缝波导、狭缝微环波导、十字狭缝波导等。
图3是根据本公开实施例示出的一种光波导放大系统的示意图。参照图3所示，在一些实施例中，原始光信号经过第一隔离器，与泵浦光源经过耦合器合波，再一起输入到光波导放大器中，原始光信号在泵浦光及光波导放大器中增益物质的共同作用下得到放大，再经过第二隔离器最终输出放大光信号。其中，两端的第一隔离器和第二隔离器的作用是减少光路中的自激振荡及反射，减少光信号的损失。
本公开实施例中，在狭缝光波导结构的基础上，在狭缝(间隙)中的介质材料层中引入稀土元素掺杂，形成掺杂介质层12。稀土元素以离子的方式存在于掺杂介质层12中，作为光波导放大器的增益物质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大。并且，基于狭缝光波导结构的光场限制作用和电场增强作用，能够保证光场更多的集中在狭缝中，从而增加泵浦光和光信号在掺杂介质层12的重叠面积，利于降低泵浦激发稀土离子的阈值功率，提高泵浦利用率，也提高光放大效果。
在一些实施例中，针对片上光放大器的光泵浦耦合方案可包括：空间泵浦、侧向波导耦合方案或者泵浦键合方案。
在光波导放大器对光信号放大的过程中，掺杂介质层12中的稀土离子会经过受激吸收和受激辐射等过程。受激吸收与受激辐射是互逆的过程。
受激吸收，即处于低能级(基态)的粒子，受到外来光子的激励，且在满足外来光子的能量恰好等于低、高两能级之差时，该粒子就吸收这部分能量，跃迁至高能级(激发态)。
受激辐射，即处于高能级(激发态)发光粒子在外来光子的作用下，向低能态(基态)跃迁时，辐射光子的现象。此时，外来光子的能量恰好是粒子两能级的能量差。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同。
继续参照图3所示，原始光信号与泵浦光经过耦合器耦合后，传输入光波导放大器中，泵浦光的能量被掺杂介质层12中的稀土离子受激吸收，使其跃迁至更高能级的激发态。当原始光信号入射后，处于激发态的稀土离子因受激辐射向低能级跃迁，辐射出与原始光信号相同的光子，以此来增强原始光信号的强度，实现光信号的放大。光信号经过光波导放大器后得到放大，泵浦光经过光波导放大器后不断衰减。
需要强调的是，在未受到任何外来光子的激励时，掺杂介质层12中的稀土离子处于热平衡状态，大部分的稀土离子以基态形式存在。然而，要想获得光放大效果，必须满足掺杂介质层12中超过一半的稀土离子在受到泵浦光的激励后发生受激吸收跃迁至高能级的激发态，即实现粒子数反转。此时，相对多的稀土离子处于高能级的激发态，可经过受激辐射的方式跃迁至低能级的基态，从而对光信号进行增强。因此，在一些实施例中，泵浦光的波长较原始光信号的波长要短。波长越短代表频率与能量越高，可以使更多的稀土离子受激发。泵浦波长范围包括：500nm至1500nm，具体的可以是520nm、650nm、800nm、980nm或者1480nm。
在垂直于衬底10的第二方向上，位于间隙中的掺杂介质层12具有高度H1，光波导11具有高度H2，高度H1大于或者等于高度H2。具体的，结合图1a和图2a所示，掺杂介质层12的高度H1等于光波导的高度H2；结合图1b和图2b所示，掺杂介质层12的高度H1大于光波导的高度H2。如此，以保证掺杂介质层12完全填满该间隙，形成较好的狭缝光波导结构，增大狭缝对光信号的限制作用，减少光信号的损失，也可增加泵浦光和光信号在掺杂介质层12的重叠面积，提高光信号的放大效果。掺杂介质层12的折射率相比光波导11的折射率要小，掺杂介质层12包括但不限于：掺杂稀土元素的氧化铝材料或者掺杂稀土元素的氧化硅材料。光波导11包括但不限于：硅或者氮化硅。本公开实施例在构成具有折射率对比度的狭缝结构的同时，也引入稀土元素对光信号进一步增益，提高光放大效果。
参照图2a和图2b所示，本公开实施例设置覆盖并接触掺杂介质层12的石墨烯层13，并设置第一电极14与石墨烯层13电连接，设置第二电极15与衬底10接触。可以理解的是，第二电极15与衬底10接触，掺杂介质层12又与衬底10接触，可以通过调节第一电极14与第二电极15之间的电压，来调节石墨烯层13与掺杂介质层12之间的电压差。在本公开实施例中，将该电压差称为外加偏压以便于解释说明，后续不再赘述。
在一些实施例中，第二电极15可以为接地电极，用于接地以实现零电位，因此可直接控制第一电极14的施加电压即可实现控制石墨烯层13与掺杂介质层12间的外加偏压。第一电极14与第二电极15的组成材料包括但不限于：金、银、铜、铝、钨、镍或钛。
本公开实施例中，通过外加偏压来调控石墨烯层13的费米能级，改变石墨烯层13与掺杂介质层12之间的互相作用状态，从而调制掺杂介质层12的光放大效果或者光抑制效果，以此实现对光波导放大器的电调控作用，以满足不同使用工况下的光信号需求。
具体的，当电极上的外加偏压较小时，石墨烯层13的费米能级较低，小于掺杂介质层12中稀土离子受激辐射产生光子能量的一半，对掺杂介质层12中因受激辐射产生的光子进行带间吸收，使得该光子无法对光信号进行增强。当电极上的外加偏压较大时，石墨烯层13的费米能级较高，大于掺杂介质层12中稀土离子受激辐射产生光子能量的一半，石墨烯的带间跃迁受到抑制，对掺杂介质层12中因受激辐射产生的光子的吸收作用减弱，光信号受到光子的增强而实现放大。
参照图2a和图2b所示，狭缝对于光信号的限制作用是指，狭缝将光信号限制在狭缝内的掺杂介质层12内传播，减少光信号的损耗，增加掺杂介质层12对光信号的增强作用。
光波导放大器中影响光信号放大作用的具体因素包括：掺杂介质层12高度H1、狭缝(间隙)宽度D1、光波导11宽度D2、光波导11高度H2。可以依据狭缝对光信号限制作用的大小以及石墨烯和狭缝中的倏逝波光场相互作用进行选取掺杂介质层12高度H1、狭缝宽度D1、光波导11宽度D2、以及光波导11高度H2，使光信号更多的集中在狭缝中传播的同时，充分确保掺杂介质层12与石墨烯层13间的相互作用。
掺杂介质层12的高度H1对狭缝的限制作用影响较较大，掺杂介质层12越厚，狭缝对光信号的限制作用也越大，使得更多的光被束缚到掺杂介质层12中，同时也能保持较好的增益效果。但是，过厚的掺杂介质层12会降低其与石墨烯层13间的倏逝波耦合效率，影响石墨烯层13与掺杂介质层12的相互作用。
由于掺杂介质层12的表面薄膜质量会随高度的增加而下降，使得光信号的散射损耗会变大。并且，掺杂介质层12的高度H1还受到光波导11高度H2的影响，需要H1大于或者等于H2。
在一些实施例中，掺杂介质层12的高度H1为：200nm至350nm，在保证狭缝对于光信号具有较高限制作用的同时，保持石墨烯层13与掺杂介质层12的相互作用良好，保持光放大器的光信号放大作用良好。
狭缝宽度D1的选取依据单模条件，它对于狭缝的限制作用的影响较小，但是当波导宽度D1较大时，会产生光信号的色散以及多模现象。具体的，狭缝的单模是指，在一定的入射角、波长等因素下，狭缝内只允许一种波形、模式的光信号传播。多模是指狭缝内出现多种波形、模式的光信号。由于狭缝宽度D1增大，狭缝中较低折射率掺杂介质层12与较高折射率光波导11的界面处的电场无法产生较强的耦合谐振，处于狭缝中的TE模式越难激发，容易产生多模，不利于光信号的放大。TE模式是指，光信号在狭缝中传播时，以电场方向垂直于传播方向的横电波方式传播。
在一些实施例中，狭缝的宽度D1为：200nm至300nm，使得狭缝对于光信号传播具有较大限制作用下，减少产生多模光信号的产生。
光波导11的宽度D2影响着光场的分布趋势。光波导11越宽，更多的光会被转移并限制在光波导11里，而不是狭缝中，因此会导致狭缝限制作用越小，不利于光信号的放大。
在一些实施例中，光波导11的宽度D2为：100nm至300nm。例如光波导11的宽度D2可以是200nm，使得光波导11在不影响光信号在狭缝中传播的同时，也保持有一定的厚度以维持较稳定的机械结构，对掺杂介质层12提供有效的支撑。
光波导11的高度H2对于狭缝对光信号的限制作用的影响较为复杂。当光波导11的高度H2较小时，狭缝对光信号的限制作用随光波导11高度增加变化不明显。然而，当光波导11高度H2超过一定值时，光场也会主要集中在光波导11中而不是狭缝中，导致狭缝对光信号的限制作用的降低，使得狭缝中的掺杂介质层12无法对光信号进行有效的增强。同时，较高的光波导11也会造成后续掺杂介质材料沉积的难度，使得掺杂介质材料不易沉积到狭缝中。
在一些实施例中，光波导11的高度H2为：200nm至300nm，维持狭缝对光信号的限制作用良好，也降低掺杂介质材料的沉积难度。
在一些实施例中，掺杂的稀土元素包括以下至少之一：铒；镨；铥；镱；钇；镥；钕；镧。
光波导放大器中的掺杂介质层12以掺杂的稀土元素作为增益物质，在泵浦光的激发下实现对光信号的放大。光波导放大器的放大特性主要根据掺杂的稀土元素决定，掺杂的稀土元素可以根据光信号波长来选择。
在一些实施例中，以铒(Er)作为主要掺杂元素的光信号放大器，可用于工作波长为1550nm的光信号放大。在一些实施例中，以镨(Pr)作为主要掺杂元素的光信号放大器，可用于工作波长为1300nm的光信号放大。在另外一些实施例中，以铥(Tm)作为主要掺杂元素的光信号放大器，可用于工作波长为1400nm的光信号放大。
铒离子的光谱特征，使其能够很容易获得1540nm波长区域的强辐射跃迁，与当前光通信系统的工作窗口一致。并且掺铒光波导放大器的工作频带恰好处于光纤损耗的最低波段(1530nm至1565nm)中，可以与当前通讯领域使用的大部分种类光纤兼容，补偿光纤远距离传输的光损耗。
本公开实施例以铒元素作为主要掺杂元素的光波导放大器，进一步详细解释说明。在本公开实施例中，介质层材料采用与铒元素相容性较好的氧化铝材料，以提供较大的光活性铒浓度以及较好的薄膜质量。在另外一些实施例中，通过采用钇(Y)或者镱(Yb)共加入的办法分散介质层中掺杂的铒元素，以获得更好增益效果。
具体的，通过石墨烯层13对掺杂介质层12中铒离子的光学态局域密度进行电学和原位控制，从而将其能量弛豫速率和能量转移路径转化为光吸收(电子激发)和光发射的模式。这种方法依赖于掺杂介质层12-石墨烯层13系统的强近场光物质相互作用，以及石墨烯层13在半导体、透明态和金属之间可调节的独特特性。
因此，通过电极来施加外加偏压，对石墨烯层13的费米能级进行调控，可以改变石墨烯层13与掺杂介质层12间的相互作用状态。
参照图4所示，当外加偏压较小时，石墨烯层13的费米能级较低，小于掺杂介质层12中铒离子受激辐射产生光子的能量的一半(EF<EEr/2；EF为石墨烯层13的费米能级，EEr为掺杂介质层12中铒离子受激辐射产生光子的能量)，光子将激发石墨烯的带间跃迁。此时，石墨烯层13处于高吸收状态，将会对铒离子受激辐射产生的光子进行带间吸收，转换成电子空穴对，使得光子无法对光信号进行增强，使器件工作在光吸收状态，无法实现光放大作用。
当电极上的外加偏压较大时，石墨烯层13的费米能级较高，大于掺杂介质层12中铒离子受激辐射产生光子的能量的一半(EF>EEr/2)，由于泡利阻塞作用，石墨烯的带间跃迁将被抑制，器件工作在光发射状态，此时石墨烯层13将处于“透明”状态，对掺杂介质层12中产生的光子吸收作用减弱，光信号受到光子的增强而实现放大。
在一些实施例中，光波导放大器电调制的关键特征是掺杂介质层12和石墨烯层13之间相互作用的可维持性，这些相互作用通常会导致衰变率和稀土离子发光特性的改变，并带有衰变增强因子。参照图5所示，直线A表征器件处于光发射、光放大状态下的发光强度衰减曲线仿真预测结果，直线B表征放大器处于光吸收、抑制光放大状态下的发光强度衰减曲线仿真预测结果。
参照图6所示，通过数值求解速率方程与石墨烯层13的光响应方程，可以预测掺杂介质层12的发光对比度在石墨烯层13的调制下(随石墨烯层13的费米能量变化)的变化趋势。
其中，以铒离子为掺杂元素作为示例，建立模型求解方程如下：
其中器件整体光衰减时间可以利用建立图5所示的发光强度衰减曲线获得，即当器件发光强度为零时所对应的时间，是器件整体光衰减时间。
参照图6所示，根据曲线变化趋势，在光吸收状态下，光损耗系数较高，表现为石墨烯层13对掺杂介质层12中的强光场的吸收作用，此时的发光对比度较低，器件的放大特性受到抑制。在光发射状态下，由于石墨烯层13的泡利阻塞效应，石墨烯层13对掺杂介质层12中强光场的吸收作用将会有一个阶跃性下降，之后石墨烯层13对光场呈“透明”状态，此时的发光对比度较高，器件将产生光放大效果。
参照图7所示，通过外加偏压对石墨烯层13的费米能级的调控可实现对掺杂介质层12中光强度的调制。在外加偏压的高速调制下，石墨烯层13的费米能级呈现周期性变化，对应的掺杂介质层12发光强度衰减增强曲线也随之周期性改变，以完成对光波导放大器放大性能的高速、周期性调制。
在一些实施例中，可通过改变石墨烯层13的层数和厚度，以改变掺杂介质层12和石墨烯层13间的相互作用强度，进而调节器件的调制效果。具体的，当对不同频率与能量的光信号进行放大时，需要掺杂介质层12中稀土离子受激辐射产生光子的能量也不同。相对应的，对石墨烯层13的费米能级调节区间也不相同，可以通过改变石墨烯层13的层数、厚度来满足不同工况下的实际调制需求。例如，当对高频率、高能量的光信号进行放大时，需要掺杂介质层12中稀土离子受激辐射产生更大的光子能量，于是也需要较厚的石墨烯层13来对掺杂介质层12进行调制。并且，在此情况下，通过电极施加的外加偏压也较高，较厚的石墨烯层13可减少被较高的外加偏压击穿的风险，利于维持器件的稳定性良好。当对低频率、低能量的光信号进行放大时，掺杂介质层12中稀土离子受激辐射产生的光子能量较小，较薄的石墨烯层13即可满足对掺杂介质层12的调控，同时利于降低功耗。
在一些实施例中，参照图2a和图2b所示，光波导11为条形光波导，光波导11的延伸方向为平行于衬底10的第三方向，第三方向与第一方向垂直；其中，光波导11在垂直于第三方向的平面上的截面为矩形。
光波导11的延伸方向与光信号的传播方向一致，并且光波导11为长方体结构，以提供垂直于衬底10的平直侧壁，从而形成垂直于衬底10的狭缝结构。光波导11的规则长方体结构为狭缝提供更为平整和垂直的侧壁，加强狭缝对于光信号的限制作用，减少光信号的损耗，增强光信号放大效果。
在一些实施例中，参照图1b和图2b所示，掺杂介质层12包覆光波导11，并覆盖衬底10的部分表面。
本公开实施例的掺杂介质层12在覆盖间隙形成狭缝结构的同时，还使掺杂介质层12包覆光波导11，对光波导11进行支撑和保护。
在一些实施例中，掺杂介质层12的组成材料抗氧化性强，例如：氧化铝、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或者树脂类的聚合物材料等。光波导11为含硅的非氧化物材料，例如：硅或者氮化硅等。掺杂介质层12包覆光波导11可以减少光波导11的氧化。
在一些实施例中，参照图2a和图2b所示，第一电极14位于石墨烯层13表面，覆盖至少部分石墨烯层13表面。
第一电极14与石墨烯层13电连接，用于施加电压，以对光波导放大器进行电调控。第一电极14覆盖于石墨烯层13表面，增大电连接面积，优化电连接性能。
在一些实施例中，参照图2a和图2b所示，第二电极15位于衬底10表面，且位于光波导11的一侧，并与掺杂介质层12相隔离。
光波导11、掺杂介质层12与第二电极15之间不直接接触，减少第二电极15施加电压或者漏电时，对光波导11或者掺杂介质层12中的光电效应产生干扰甚至击穿的风险。
在一些实施例中，第一电极14和第二电极15包括但不限于：导电的焊盘、导电线、导电层或者其任意组合。第一电极14和第二电极15的组成材料包括但不限于：铜、钨、铝、金、钛或者镍等。本领域技术人员可以根据实际应用选择第一电极14、第二电极15的形状、数量以及材料等。
在一些实施例中，石墨烯层13为单层碳原子排列形成的膜层。
石墨烯作为一种独特的以单层碳原子排列而形成的二维原子晶体薄膜材料，具有零带隙特性。与石墨烯相互作用的光覆盖了绝大多数的通讯波长带宽，同时石墨烯在室温下拥有极高的载流子迁移率，产生和复合光载流子的速率达到皮秒量级，使其所结合的光电器件拥有很高的工作频率，具有高速、超宽带、小尺寸、低功耗的优势。
本公开实施例利用石墨烯在光电器件中的特性，设置石墨烯层13，实现对光波导放大器的电调控。
在一些实施例中，石墨烯层13可以包括单层石墨烯或者多层石墨烯，以实现不同使用工况下的光波导放大器的电调制。
在一些实施例中，光波导11的组成材料为含硅的硅基光波导材料，包括：硅或者氮化硅。
光波导11采用折射率大于掺杂介质层12折射率的硅基材料，在构成具有折射率对比度的狭缝结构的同时，利于与其他硅基半导体芯片进行片上系统芯片的兼容集成，利于实现光波导放大器与其他硅基半导体芯片制作工艺的整合与优化。
图8是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器的制作方法的流程示意图，图9a至9f是根据本公开实施例示出的一种光波导放大器的制作方法的示意图。参照图8、图9a至图9e、图2a和图2b所示，所述方法包括：
步骤S100：参照图9a所示，提供衬底10；
步骤S200：参照图9a所示，在衬底10上形成至少两个沿平行于衬底10方向并列排布的光波导11；其中，相邻的两个光波导11之间具有间隙；
步骤S300：参照图9b和图9c所示，以掺杂稀土元素的掺杂介质材料填充间隙，形成掺杂介质层12；其中，在垂直于衬底10的方向上，掺杂介质层12的高度大于或者等于光波导11的高度；掺杂介质层12的折射率小于光波导11的折射率；
步骤S400：参照图9d和图9e所示，形成覆盖并接触掺杂介质层12的石墨烯层13；
步骤S500：参照图2a和图2b所示，形成与石墨烯层13电连接的第一电极14；
步骤S600：参照图2a和图2b所示，形成与衬底10接触的第二电极15。
具体的，参照图9a所示，衬底10可以是由氧化物材料制成的衬底，例如：氧化硅衬底或者氧化铝衬底。
在一些实施例中，衬底10可以采用半导体衬底、蓝宝石衬底或者是玻璃衬底。然后，在该衬底10上沉积形成比光波导11折射率低的膜层，例如：氧化硅层或者氧化铝层。衬底10上形成的膜层材料可与步骤S300中掺杂介质层12中的介质材料相同，以提高狭缝(间隙)中对于光信号的限制作用，减少光信号损失。沉积工艺可以采用本领域技术人员所知的任何工艺，例如低温化学气相沉积(Low Temperature ChemicalVapor Deposition，LTCVD)工艺、低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical VaporDeposition，LPCVD)工艺、快热化学气相沉积(Rapid Thermo Chemical Vapor Deposition，RTCVD)工艺、原子层沉积(Atomics Layer Deposition，ALD)工艺或者等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺等。
参照图9b和9c所示，在一些实施例中，可以直接以掺杂稀土元素的介质材料沉积、填充间隙，以形成掺杂介质层12。在另外一些实施例中，可以先用未经掺杂的介质材料沉积、填充间隙，形成介质层后再对介质层进行稀土元素掺杂，最后形成掺杂介质层12。掺杂的方法包括但不限于：射频溅射、离子注入、扩散或者其任意组合。
具体的，在步骤S300中，参照图9b所示，掺杂介质层12的高度H1等于光波导的高度H2。参照图9c所示，掺杂介质层12的高度H1也可大于光波导的高度H2。如此，以保证掺杂介质层12完全填满该间隙，形成较好的狭缝光波导结构，增大狭缝对光信号的限制作用，减少光信号的损失。
需要强调的是，在一些实施例中，参照图9c所示，S300中形成的掺杂介质层12可以包覆光波导11，用于对光波导11进行支撑和减少氧化。
在一些实施例中，形成掺杂介质层12后，可对掺杂介质层12进行热处理，以提高稀土元素在掺杂介质层12中的分散均一性。
在一些实施例中，执行步骤S300后，可对掺杂介质层12进行平坦化，为步骤S400形成石墨烯层13提供更为平整的接触表面，以提高石墨烯层13的膜层质量。
参照图9d和图9e所示，在掺杂介质层12表面，沉积形成由单层石墨烯或者多层石墨烯堆叠的石墨烯层13。需要强调的是，图9d和图9e中示出的石墨烯层13并不是间断的膜层，本公开实施例中的石墨烯层13是连续的膜层。结合图1a和图1b所示，石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的膜层，图9d和图9e是以截面图的形式来示出制作过程中的结构变化，以间断的形式来从微观上展示石墨烯的碳原子之间的蜂窝状晶格结构。
参照图2a和图2b所示，第一电极14与第二电极15可以分步形成，也可以一次性形成。形成工艺包括但不限于：沉积工艺、金属离子溅射或者回流焊工艺等。第一电极14和第二电极15包括但不限于：导电的焊盘、导电线、导电层或者其任意组合。第一电极14和第二电极15的组成材料包括但不限于：铜、钨、铝、金、钛或者镍等。本领域技术人员可以根据实际应用选择电极的形状、数量以及材料等。
在一些实施例中，参照图9f和9a所示，形成光波导11的方法包括：
在衬底10上形成光波导层111，蚀刻光波导层111，以形成贯穿光波导层111的间隙；其中，光波导层111被间隙隔断，以形成光波导11。
参照图9f所示，在衬底10上先沉积形成光波导层111，以图案化的光刻胶16作为蚀刻掩膜层蚀刻光波导层111，形成贯穿光波导层111的间隙，剩余的光波导层111形成如图9a所示的光波导11。蚀刻工艺包括但不限于：干法蚀刻工艺、湿法蚀刻工艺或者其任意组合。需要强调的是，根据光波导放大器的设计需要，可以蚀刻形成多个光波导11，本公开实施例对光波导11的数量不作限制。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光波导放大器，其特征在于，所述光波导放大器包括：
衬底；
位于所述衬底上、且沿平行于所述衬底的第一方向并列排布的至少两个光波导；其中，相邻的两个所述光波导之间具有间隙；所述至少两个光波导的排布方向与所述至少两个光波导的延伸方向垂直；
位于所述间隙内的、掺杂稀土元素的掺杂介质层；其中，在垂直于所述衬底的第二方向上，所述掺杂介质层的高度大于或者等于与所述掺杂介质层相邻的所述光波导的高度；所述掺杂介质层的折射率小于所述光波导的折射率；
石墨烯层，覆盖并接触所述掺杂介质层；
第一电极，与所述石墨烯层电连接；
第二电极，与所述衬底接触；
其中，光信号在两个所述光波导之间沿所述光波导的延伸方向传播。
2.根据权利要求1所述的光波导放大器，其特征在于，掺杂的所述稀土元素包括以下至少之一：
铒；镨；铥；镱；钇；镥；钕；镧。
3.根据权利要求1所述的光波导放大器，其特征在于，所述光波导为条形光波导，所述光波导的延伸方向为平行于所述衬底的第三方向，所述第三方向与所述第一方向垂直；其中，所述光波导在垂直于所述第三方向的平面上的截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的光波导放大器，其特征在于，所述掺杂介质层包覆所述光波导，并覆盖所述衬底的部分表面。
5.根据权利要求1所述的光波导放大器，其特征在于，所述第一电极位于所述石墨烯层表面，覆盖至少部分所述石墨烯层表面。
6.根据权利要求1所述的光波导放大器，其特征在于，所述第二电极位于所述衬底表面，且位于所述光波导的一侧，并与所述掺杂介质层相隔离。
7.根据权利要求1所述的光波导放大器，其特征在于，所述石墨烯层为单层碳原子排列形成的膜层。
8.根据权利要求1所述的光波导放大器，其特征在于，所述光波导的组成材料为含硅的硅基光波导材料，包括：
硅或者氮化硅。
9.一种光波导放大器的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成沿平行于所述衬底方向并列排布的至少两个光波导；其中，相邻的两个所述光波导之间具有间隙；所述至少两个光波导的排布方向与所述至少两个光波导的延伸方向垂直；
以掺杂稀土元素的掺杂介质材料填充所述间隙，形成掺杂介质层；其中，在垂直于所述衬底的方向上，所述掺杂介质层的高度大于或者等于与所述掺杂介质层相邻的所述光波导的高度；所述掺杂介质层的折射率小于所述光波导的折射率；
形成覆盖并接触所述掺杂介质层的石墨烯层；
形成与所述石墨烯层电连接的第一电极；
形成与所述衬底接触的第二电极；
其中，光信号在两个所述光波导之间沿所述光波导的延伸方向传播。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，形成所述光波导的方法包括：
在所述衬底上形成光波导层，蚀刻所述光波导层，以形成贯穿所述光波导层的间隙；其中，所述光波导层被所述间隙隔断，以形成所述光波导。
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