[发明专利]一种金属杂质原子掺杂的硅酸铒及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种金属杂质原子掺杂的硅酸铒及其制备方法和在薄膜光波导放大器中的应用。制备方法包括步骤：将有机铒化合物、金属杂质原子的前驱体均匀分散于流动性硅烷树脂中，所得溶胶旋涂于单晶硅片表面，经热处理得到金属杂质原子掺杂的硅酸铒；金属杂质原子掺杂的硅酸铒中，掺杂的金属离子的价态与Er³⁺不相同，且所述金属离子的半径比Er³⁺的半径小30％以上。金属杂质原子掺杂的硅酸铒镶嵌于结晶氧化硅基质中，晶型为β‑Er₂Si₂O₇，发光强度相比不掺杂可提高近一百倍，LDP可达1.3×10¹⁹cm^‑3·s，制备方法与集成工艺兼容，有望用于高增益的薄膜光波导放大器。

技术领域

本发明涉及硅基光电集成技术领域，具体涉及一种金属杂质原子掺杂的硅酸铒及其制备方法和应用。

背景技术

硅的间接带隙本质致使其发光效率很低，这使得用于硅基光电集成的通讯波段的波导放大器及高效紧凑的光源充满挑战。

稀土离子铒(Er³⁺)发光波长为1.5μm，正好对应于石英通信光纤的最低损耗波长，因此硅基掺铒材料的发光得到了迅速发展。近年来，硅基掺铒光纤放大器和激光器在远距离光通信中获得了巨大的成功。随着进一步发展，出现了以硅酸铒为代表的铒化合物，铒的浓度进一步得到了提高。

对于衡量光放大能力来说，硅基含铒材料的Er³⁺发光寿命和浓度的乘积(LDP)是一个重要指标，LDP值越大，则在相同的泵浦条件下光增益越大且发光效率越高，同时也意味着在相同光波导尺寸下，LDP值越大能获得的光增益越大，更适合发展小尺寸波导放大器以及光源。

对于掺铒材料而言，由于受到固溶度限制铒浓度一般小于10²⁰cm^-3，但是寿命较高。对于硅酸铒而言，Er并不是掺杂离子而是作为组成元素，Er³⁺浓度可以达到10²²cm^-3，但是寿命却较低。

目前对于采用磁控溅射、电子束蒸发、溶胶凝胶法等方法制备出的硅酸铒薄膜，寿命只有在数十个微秒。寿命如此短主要有三个原因：

一是制备的多晶薄膜缺陷密度较高；

二是Er³⁺浓度很高导致铒与铒之间能量传递变容易，实现长距离迁移，更容易遇到缺陷而形成猝灭；

三是Er³⁺浓度很高，导致严重的上转换效应，减弱铒离子的近红外发光。

所以目前制备的硅酸铒薄膜的LPD值依旧比较小。从制备工艺角度考虑，薄膜的制备工艺与集成工艺兼容，适合于发展适配集成工艺的波导放大器。所以获得LDP值高的硅酸铒薄膜有望用于实现高增益的薄膜光放大器以及光源。

目前有研究在硅酸铒薄膜中掺入Yb、Y稀释Er³⁺浓度，降低了浓度猝灭效应，提高了寿命[参考见Wang XJ,Yuan G,Isshiki H,et al,Journal of Applied Physics.,108,1(2010)]。但是钇、镱与铒半径相近为替位杂质，这也意味着Er³⁺的浓度又回到了10²¹cm^-3，LDP值并没有得到很大程度的提高。因此同时具有高的铒浓度和高寿命的硅酸铒薄膜的制备显得尤为重要，有望用于实现高增益的薄膜光波导放大器以及光源。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种金属杂质原子掺杂的硅酸铒的制备方法，整个过程制备方法简单易操作成本低，镶嵌基质为结晶氧化硅，提供了更好的发光环境，且满足光波导折射率要求，制备方法与集成工艺兼容，有望用于高增益的薄膜光波导放大器。