[发明专利]一种基于铒镱共掺聚合物复合结构芯层的光波导放大器及其制备方法

说明书

一种基于铒镱共掺聚合物复合结构芯层光波导放大器，属于聚合物光波导放大器技术领域。依次由硅衬底、二氧化硅下包层、低损耗聚合物芯层、铒镱共掺聚合物增益层、聚甲基丙烯酸甲酯上包层组成；低损耗聚合物芯层、铒镱共掺聚合物增益层和聚甲基丙烯酸甲酯上包层共同位于二氧化硅下包层之上，低损耗聚合物芯层被包覆在铒镱共掺聚合物增益层之中，铒镱共掺聚合物增益层被包覆在聚甲基丙烯酸甲酯上包层之中；低损耗聚合物芯层和铒镱共掺聚合物增益层构成复合结构芯层。本发明所设计的复合结构芯层光波导放大器能够在同等波导尺寸、波导长度的条件下，获得比传统矩形波导和倒脊型光波导放大器更大的增益，进一步提高了聚合物光波导放大器的应用前景。

技术领域

本发明属于聚合物光波导放大器技术领域，具体涉及一种基于铒镱共掺聚合物复合结构芯层光波导放大器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着硅基集成光子学的飞速发展，各种硅光器件的集成度日益提高，而随着器件数量的增加，由硅光器件所带来的损耗将不可忽略。器件的固有插入损耗、波导侧壁的粗糙度等原因所引入的外部损耗等都会限制片上光互连光路的性能。因此对光信号进行补偿在光芯片中尤为重要。为此人们尝试了多种方式对光信号进行放大，其中稀土掺杂光波导放大器以其线性增益响应、温度不敏感及低噪声等优势获得了越来越多的关注。

掺铒光波导放大器(EDWA)主要利用铒离子4f能级内的跃迁，在1550nm的通信波长区域实现对信号光的放大。掺铒光波导放大器按照基质材料性质可分为无机掺铒光波导放大器和有机掺铒光波导放大器两类，相较于无机掺铒光波导放大器而言，将一种铒掺杂纳米晶掺入低损耗光敏聚合物中制备有机掺铒光波导放大器具有工艺简单、成本低廉、易于硅基集成的优势，成为近年来一种极有发展潜力的技术方案。

面向片上应用的光波导放大器要求高的信号增益和低的传输损耗，而矩形结构的掺铒纳米晶聚合物光波导放大器因波导中纳米晶的吸收和散射较难同时实现这一目标，因此亟需设计一种光波导放大器结构以实现高增益、低损耗的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于铒镱共掺聚合物复合结构芯层的光波导放大器及其制备方法。

本发明所述的一种基于铒镱共掺聚合物复合结构芯层的光波导放大器，如图1和图2所示，从下至上依次由硅衬底1、二氧化硅下包层2、低损耗聚合物芯层3、铒镱共掺聚合物增益层4、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上包层5组成；低损耗聚合物芯层3和铒镱共掺聚合物增益层4为条形结构，低损耗聚合物芯层3、铒镱共掺聚合物增益层4和聚甲基丙烯酸甲酯上包层5共同位于二氧化硅下包层2之上，低损耗聚合物芯层3被包覆在铒镱共掺聚合物增益层4之中，铒镱共掺聚合物增益层4被包覆在聚甲基丙烯酸甲酯上包层5之中；低损耗聚合物芯层3和铒镱共掺聚合物增益层4构成复合结构芯层。信号光和泵浦光由激光器分别发出后，通过波分复用器进行耦合，耦合后的光信号通过光纤与光波导放大器对接，最终输入到复合结构芯层中。

本发明以低损耗聚合物和铒镱纳米晶共掺杂聚合物构成复合结构芯层，二氧化硅为下包层设计了光波导放大器。其中低损耗聚合物芯层3在1550nm通信波段的吸收损耗非常小，因此可以有效降低信号光的传输损耗；铒镱纳米晶共掺杂聚合物作为增益层4，起到对信号光进行放大的作用。铒镱共掺聚合物增益层4折射率(约为1.57)略大于低损耗聚合物芯层3的折射率(约为1.55)，且铒镱纳米晶共掺杂聚合物可以通过简单的光刻显影技术获得条形波导结构，包覆低损耗聚合物芯层3后形成复合波导芯层结构。通过优化波导结构尺寸，可以使得信号光在波导中传输时大部分光场分布于铒镱共掺聚合物增益层4中，以实现降低传输损耗的目的；泵浦光光场几乎全部分布于铒镱共掺聚合物增益层4中，为实现铒离子基态和激发态能级粒子数反转(信号光的放大)提供充足的泵浦能量。铒镱共掺聚合物增益层4中信号光与泵浦光具有较高的重叠因子，从而可以实现提高增益的目的。通过仿真结果的对比，本发明所设计的复合结构芯层光波导放大器能够在同等波导尺寸、波导长度的条件下，获得比传统矩形波导和倒脊型光波导放大器更大的增益，进一步提高了聚合物光波导放大器的应用前景。