一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质及其制备方法和应用

本发明涉及光通信，更具体地，涉及一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、光放大器在光通信网络中有着十分广泛的应用，主要用于光纤传输系统以及片上集成光互连系统的光信号放大补偿作用。随着微纳加工技术的发展，片上集成光通信系统逐渐成为研究热点。人们尝试在片上系统中实现少模信号传输以进一步提升通信传输容量，但片上系统不可避免的较高损耗对片上少模系统的信号传输速率、容量、信噪比等均产生了严重影响。

2、光波导放大器能够对光信号进行放大，无需经过光电信号的转换，可解决片上信号补偿的问题；然而目前大多数的片上集成系统光波导放大器都是针对单模信号进行设计，未能有效针对少模信号补偿。为了弥补片上集成少模系统的损耗问题，其中一种有效的方案参照了用于长距离光纤传输系统信号补偿的少模掺稀土光纤放大器，尝试设计出片上集成少模光波导放大器来解决片上信号补偿的问题。但不同于光纤传输系统，光波导的矩形结构无法保证每种模式的光场分布情况相同进而对放大效果产生影响，造成更大的差模增益。

3、专利cn113866877a的一种聚合物少模波导及其制备方法，从下到上依次由二氧化硅衬底、在二氧化硅衬底上旋涂的少模波导芯层、在少模波导芯层上旋涂的上包层组成，所述少模波导芯层采用稀土掺杂有源聚合物材料，是将稀土纳米粒子通过物理方法均匀掺杂到su-8聚合物材料中制备的芯层增益介质。其克服了传统光波导放大器仅能对单一模式放大的局限，实现多个信号模式同时放大的功能；但是其各模式的模式增益和差模增益有待进一步改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有的光波导放大器存在模式增益低、差模增益大的缺陷和不足，提供一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质。

2、本发明的另一目的是提供上述用于低差模增益少模光放大器的增益介质的制备方法。

3、本发明的另一目的是提供一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质在制备低差模增益少模光放大器中的应用。

4、本发明的另一目的是提供一种低差模增益少模光放大器，光场中心可以实现在低损耗无源波导传输的同时将部分能量泄露到增益介质包层实现增益放大效果，具有出色的光场的束缚效果以及优异的增益放大特性。

5、本发明上述目的通过以下技术方案实现：

6、本发明保护一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质，自下而上依次包括硅衬底、氧化硅层、无源传输波导层、稀土掺杂增益层、波导上包层；

7、所述稀土掺杂增益层中稀土掺杂浓度呈自下而上逐渐递增。

8、本发明的增益介质中采用稀土掺杂浓度呈自下而上逐渐递增的稀土掺杂增益层，不仅提高模式增益，而且通过调控掺杂浓度与光场分布的匹配模式，达到减小模式之间的增益差值的效果。由于稀土离子使得信号光产生放大效果的主要过程为基于光场与稀土离子之间的相互作用，不同位置产生的光增益效果近似地可看为与各点处光场强度和稀土掺杂浓度的乘积成正相关关系；本发明通过优化调整不同光场位置处的稀土离子掺杂浓度与光场分布匹配，从而实现不同模式间的低差模增益效果。

9、在其中一些实施方式中，氧化硅层的折射率为1.44-1.46，无源传输波导层的折射率为1.977-1.985，稀土掺杂增益层的折射率为1.658-1.668，波导上包层的折射率为1.44-1.46。

10、在其中一些实施方式中，所述稀土掺杂增益层为多个不同稀土掺杂浓度的稀土掺杂单元层复合而成，相邻稀土掺杂单元层之间的稀土掺杂浓度比为1：(1.1-2)。

11、优先地，相邻稀土掺杂单元层之间的稀土掺杂浓度比为1：(1.3-1.6)。

12、在其中一些实施方式中，所述稀土掺杂增益层的主体材料为氧化铝、氧化碲、氧化钽中的至少一种；优选地，主体材料为氧化铝(al2o3)，采用氧化铝具有更优的稀土离子溶解度以及出色的发射截面，更易实现更大的增益系数。

13、在其中一些实施方式中，掺杂的稀土元素为铒、镱、铥、镝或钬中的至少一种。优选地，掺杂的稀土元素为铒。本发明可根据需要，针对不同波长处的增益特性选择合适的稀土元素，其中铒元素主要针对波长1550nm附近的光放大，能够与目前光通信系统c波段适配。

14、在其中一些实施方式中，所述稀土掺杂增益层为采用原子层沉积技术制成的多个稀土掺杂单元层叠层组成；每个稀土掺杂单元层中，单次循环中依次原子层沉积稀土薄膜和主体材料薄膜，周期循环沉积后形成稀土掺杂单元层，相邻的稀土掺杂单元层之间单次循环沉积的稀土薄膜和主体材料薄膜的厚度比例递增，形成稀土掺杂浓度逐渐递增的稀土掺杂增益层。

15、在其中一些实施方式中，所述稀土掺杂增益层的总厚度范围为300-1000nm，每个稀土掺杂单元层的厚度范围为100-300nm。该厚度下有利于提高模式增益，减少差模增益。

16、在其中一些实施方式中，所述稀土掺杂增益层的制备方法，包括以下步骤：

17、1)在氧化硅层表面进行原子层沉积，单次循环中稀土薄膜沉积次数为1-5次，主体材料薄膜沉积次数为n1次，周期循环沉积至形成厚度为100-300nm的第一稀土掺杂单元层；

18、2)在所述步骤1)所述稀土掺杂单元层a1表面进行原子层沉积，单次循环中稀土薄膜沉积次数为1-5次，主体材料薄膜沉积次数为n2次，周期循环沉积至形成厚度为100-300nm的第二稀土掺杂单元层；

19、3)依次重复原子层沉积至第i层稀土掺杂单元层，即得多层稀土掺杂单元层组成的稀土掺杂增益层；

20、所述第i层稀土掺杂单元层中，单次循环中稀土薄膜沉积次数为1-5次，主体材料薄膜沉积次数为ni次，周期循环沉积至形成厚度为100-300nm的稀土掺杂单元层；

21、其中，n1＞n2＞...＞ni，且n1、n2...ni和i均为自然数；3＜n1≤20，ni≥2，i≥3。

22、上述方法基于原子层沉积技术制备稀土掺杂增益层，具有极大的均匀性，易于调控掺杂浓度，得到的掺杂浓度递增的稀土掺杂增益层能够有效提高模式增益，同时通过调控掺杂浓度与光场分布的匹配模式，减少差模增益。

23、在其中一些实施方式中，稀土掺杂单元层a1至稀土掺杂单元层ai之间，各层之间的厚度依次递减。本发明通过调控厚度分布修正光增益，可以实现更均衡的放大效果，降低模式之间的增益差。

24、在其中一些实施方式中，所述稀土掺杂增益层的制备方法，包括以下步骤：

25、1)在氧化硅层表面进行原子层沉积，单次循环中稀土薄膜沉积次数为1-4次，主体材料薄膜沉积次数为10-14次，循环150-240次，得到第一稀土掺杂单元层；

26、2)在所述第一稀土掺杂单元层表面进行原子层沉积，单次循环中稀土薄膜沉积次数为1-4次，主体材料薄膜沉积次数为6-9次，循环220-310次，得到第二稀土掺杂单元层；

27、3)在所述第二稀土掺杂单元层表面进行原子层沉积，单次循环中稀土薄膜沉积次数为1-4次，主体材料薄膜沉积次数为4-5次，循环300-350次，得到第三稀土掺杂单元层；

28、4)在所述第三稀土掺杂单元层表面进行原子层沉积，单次循环中稀土薄膜沉积次数为1-4次，主体材料薄膜沉积次数为2-3次，循环360-500次，得到第四稀土掺杂单元层。

29、在其中一些实施方式中，所述稀土掺杂增益层的制备方法中，各单次循环的稀土薄膜沉积次数均相同。

30、在其中一些实施方式中，所述无源传输波导层的材料为氮化硅、铌酸锂、氧化碲、硫系无机材料或硅中的至少一种。

31、本发明可根据不同的模式传输需要选择不同的形状；优选地，所述无源传输波导层呈矩形或圆形。通过设计不同形状的无源传输波导层能够适用于不同的模式传输。

32、在其中一些实施方式中，所述波导上包层的材料为氧化硅、hsq或pmma中的至少一种。

33、本发明保护一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质的制备方法，包括以下步骤：

34、s1，在硅衬底表面叠加氧化硅层，然后在氧化硅层表面沉积生长无源材料，得无源材料薄膜；

35、s2，将所述无源材料薄膜进行波导结构刻蚀，形成可进行光场传输的无源传输波导层；

36、s3，在无源传输波导层表面沉积稀土掺杂浓度呈自下而上逐渐递增的稀土掺杂增益层；

37、s4，对步骤s3得到的样品进行退火处理；

38、s5，在步骤s4中退火后的样品表面沉积波导上包层，即得所述用于低差模增益少模光放大器的增益介质。

39、本发明对刻蚀技术没有特殊要求，选择本领域常规刻蚀手段即可；示例性地，刻蚀采用电子束曝光技术或干法刻蚀技术。

40、本发明保护一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质在制备低差模增益少模光放大器中的应用。

41、本发明保护一种低差模增益少模光放大器，包括激发光源、耦合结构和增益介质，所述增益介质为所述用于低差模增益少模光放大器的增益介质。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

43、本发明的一种用于低差模增益少模光放大器的增益介质，采用稀土掺杂浓度呈自下而上逐渐递增的稀土掺杂增益层，提高模式增益，同时通过调控掺杂浓度与光场分布的匹配模式，达到减小模式之间的增益差值的效果。

44、实验表明，本发明的增益介质在各模式(e00、e01、e10及e20)的模式增益均大于17db，且各个模式之间的差模增益被高效的控制在了2db以内。