硅基光電子集成技術 — 光波導放大器和激光器

王興軍
北京大學教授，博士生導師，電子學系副主任，區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室副主任，信息與通信研究所副所長，國務院學位委員會第八屆學科評議組成員（信息與通信工程學科），入選教育部青年長江學者（2015），入選教育部新世紀優秀人才（2013），國家自然科學基金重點項目負責人，科技部863重大項目課題負責人，科技委高技術重點研發項目負責人，科技委主題專家組專家，國防科技大學兼職教授。

第1章緒論 1
1.1 矽基光電子學 1
1.1.1 矽基光電子學的高速發展 1
1.1.2 矽基光電子學的技術挑戰 2
1.2 矽基集成光源 5
1.2.1 矽基Ⅲ-Ⅴ族半導體混合集成光源 6
1.2.2 矽基稀土離子摻雜光源 11
1.2.3 矽基應變鍺光源 12
1.3 矽基摻鉺光源 15
1.3.1 矽基摻鉺光源的發展 15
1.3.2 矽基摻鉺氧化鋁光源 16
1.3.3 鉺矽酸鹽光源 22
參考文獻 28

第2章摻鉺材料體系的光發射理論與建模 35
2.1 鉺離子光發射原理 35
2.1.1 鉺離子的基本性質 35
2.1.2 鉺離子的光輻射理論 36
2.2 摻鉺材料體系中的非輻射能量轉移 38
2.2.1 激發態吸收 38
2.2.2 合作上轉換 38
2.2.3 交叉弛豫 39
2.2.4 多聲子弛豫 40
2.2.5 鉺離子濃度猝滅 40
2.2.6 鉺鐿離子間的能量轉移 41
2.2.7 鉺離子的發光效率 42
2.3 摻鉺材料體系的參數理論 42
2.3.1 Judd-Ofelt理論 43
2.3.2 McCumber理論 43
2.3.3 Forster-Dexter能量轉移理論 45
2.4 摻鉺材料體系的能級模型與速率方程 46
2.4.1 980 nm泵浦的鉺離子能級模型與速率方程 46
2.4.2 1480 nm泵浦的鉺離子能級模型與速率方程 48
2.4.3 980 nm泵浦的鉺鐿材料體系能級模型與速率方程 49
參考文獻 53

第3章摻鉺材料製備與發光特性優化 55
3.1 摻鉺薄膜材料的製備 55
3.2 摻鉺薄膜結構表徵 57
3.2.1 摻鉺薄膜的晶格結構表徵 57
3.2.2 摻鉺薄膜的SEM表徵 59
3.2.3 摻鉺薄膜的TEM表徵 59
3.2.4 摻鉺薄膜的AFM表徵 62
3.2.5 摻鉺薄膜的應力表徵 65
3.3 摻鉺薄膜發光性能測試 71
3.3.1 摻鉺薄膜PL譜、發光壽命測試方法 71
3.3.2 摻鉺氧化鋁薄膜發光性能測試 73
3.3.3 鉺矽酸鹽薄膜發光性能測試 73
參考文獻 82

第4章矽基集成摻鉺光波導放大器 84
4.1 摻鉺光波導放大器建模 84
4.2 光波導放大器結構設計 87
4.2.1 矽基摻鉺薄膜混合型光波導放大器 87
4.2.2 矽基氮化矽-摻鉺薄膜多層條形加載型光波導放大器 90
4.2.3 矽基摻鉺薄膜-氮化矽狹縫型光波導放大器 93
4.3 波導損耗分析 94
4.3.1 散射損耗 95
4.3.2 彎曲損耗 100
4.3.3 吸收損耗、非線性損耗 102
4.4 光放大性能分析 103
4.5 光波導放大器性能測試 106
4.5.1 波導增益測試 106
4.5.2 波導損耗測試 109
4.6 矽基摻鉺光波導放大器單片集成 110
參考文獻 113

第5章矽基集成摻鉺光波導激光器 114
5.1 激光諧振腔 114
5.1.1 波導型激光諧振腔基本結構 114
5.1.2 基於FP諧振腔的激光特性建模 117
5.1.3 基於布拉格光柵的激光特性建模 118
5.2 矽基摻鉺光波導激光器的設計與分析 121
5.2.1 矽基摻鉺FP腔型光波導激光器的設計與性能分析 121
5.2.2 矽基摻鉺光柵型光波導激光器的設計與性能分析 124
5.3 基於混合型諧振腔的矽基摻鉺光波導激光器的設計與分析 134
5.3.1 基於泵浦光諧振外腔的矽基摻鉺光波導激光器 134
5.3.2 基於信號光諧振外腔的矽基摻鉺光波導激光器 138
5.3.3 基於泵浦-信號共諧振混合腔的矽基摻鉺光波導激光器 142
5.3.4 基於狹縫型DFB諧振腔的矽基摻鉺光波導激光器 149
5.3.5 矽基摻鉺光波導激光器的製備工藝與集成方案 156
參考文獻 158

第6章矽基摻鉺材料-半導體異質集成光源 161
6.1 矽基摻鉺材料-半導體異質集成光源的結構設計 162
6.1.1 器件整體結構設計 162
6.1.2 垂直泵浦諧振腔設計 164
6.1.3 半導體泵浦有源層設計 166
6.1.4 混合波導耦合設計 167
6.1.5 摻鉺增益層設計 168
6.2 矽基摻鉺材料-半導體異質集成光源的理論建模 170
6.2.1 半導體異質集成光源建模 170
6.2.2 器件光放大特性建模 174
6.3 矽基摻鉺材料-半導體異質集成光源的性能分析 177
6.3.1 泵浦特性 177
6.3.2 光放大特性 178
6.3.3 頻率響應特性 179
6.3.4 矽基摻鉺材料-半導體異質集成光源的工藝製備方案 181
參考文獻 182

第7章高增益單晶鉺矽酸鹽化合物納米線光源 185
7.1 鉺矽酸鹽納米線器件的製備和表徵 185
7.1.1 管式爐化學氣相沉積法材料生長 185
7.1.2 鉺矽酸鹽納米線的結構表徵 187
7.1.3 鉺矽酸鹽納米線的轉移 189
7.2 鉺矽酸鹽納米線器件的光放大增益測試 191
7.2.1 光放大增益測試平台 191
7.2.2 損耗測試結果分析 192
7.2.3 增益測試結果分析 194
7.3 鉺矽酸鹽納米線上轉換激光器 195
7.3.1 激光測試系統和測試方法 195
7.3.2 光致發光測試結果分析 197
參考文獻 202