11、用于片上光源的掺铒富硅氮化硅和硅酸铒材料研究

用于片上光源的掺铒富硅氮化硅和硅酸铒材料研究

1. 传统材料用于片上光源的困境

在开发紧凑高效的片上光源时，基于二氧化硅（SiO₂）的材料，如富硅二氧化硅（SRSO），面临着一些根本性的难题：
- 铒（Er）溶解度低 ：光发射通过铒离子的原子内 4f 跃迁实现，可产生的光量严格受限于光学活性 Er³⁺离子的数量。然而，在不发生团聚的情况下，能掺杂到二氧化硅中的光学活性 Er 浓度被限制在约 10²⁰ cm⁻³。考虑到 Er³⁺的发射截面为 10⁻²¹ - 10⁻²⁰ cm²，这使得任何基于 SiO₂的材料所能获得的最大增益最多只有几 dB/cm。要从这类材料中获得净增益，需要大型器件和/或高度先进的加工技术来减少寄生损耗。
- 折射率对比度低 ：对于集成器件的稳定运行，所有光子器件都需要外部包层。但 SRSO 的折射率与 SiO₂非常接近（Δn ≤ 0.1），要获得 3 dB 的增益，需要宽度大于 1 μm 的波导、弯曲半径大于 100 μm，以及面积大于 10⁸ μm²的器件。这些尺寸对于独立的电信设备来说不是问题，但对于电光集成来说则过大。

材料	铒溶解度（cm⁻³）	最大增益（dB/cm）	波导宽度（μm）	弯曲半径（μm）	面积（μm²）
SiO₂基材料	~10²⁰