Adv. Photon. | 片上光信号“增强器”——硅基掺铒及铒镱共掺光波导放大器研究进展

Advanced Photonics 2025年第6期文章：

Xiwen He, Zheng Zhang, Deyue Ma, Chen Zhou, Huihuang Hou, Youqiang Shuai, Jiqiao Liu, Rongping Wang, Zhiping Zhou, Weibiao Chen, "Erbium-doped/erbium-ytterbium co-doped waveguide amplifiers in silicon-based optoelectronics: recent progress," Adv. Photon. 7, 064001 (2025)

背景介绍

硅基光电子芯片依托成熟的半导体CMOS工艺，具有高集成度、低损耗等优势，已成为人工智能时代突破算力瓶颈的重要路径。然而，随着芯片规模不断扩大、功能日趋复杂，光信号在传输过程中的衰减问题日益凸显，限制了系统的传输距离与处理精度。更为重要的是，硅材料因其间接带隙的物理性质，无法直接提供高效光增益。为此，将具有通信波段（~1.53 μm）固有发光特性的稀土铒离子（Er³⁺）集成到硅基平台，被视为实现片上光放大的可行方案之一。分立式掺铒光纤放大器（EDFA）虽在增益和噪声性能上表现卓越，但其体积庞大、功耗高，无法实现片上集成；而掺铒光波导放大器（EDWA）兼具高增益、低损耗、低噪声且可大规模制造等优点，能在几乎不增加芯片面积和功耗的前提下，有效补偿光信号衰减并提升系统信噪比，是补齐硅基光电子技术短板，实现与其他硅基光电子器件无缝集成、推动其向高复杂度系统发展的理想片上光放大方案。

为总结掺铒及铒镱共掺光波导放大器的研究进展，中国科学院上海光机所陈卫标研究员和北京大学周治平教授团队发表综述文章，从材料体系、波导结构、制备工艺及应用前景等维度对该类放大器进行了全面阐述。文章系统梳理了掺铒氮化硅（Er:Si₃N₄）、掺铒薄膜铌酸锂（Er:TFLN）和多种掺铒氧化物材料（Er:Al₂O₃、Er:Ta₂O₅等）的发光特性与增益表现，深入分析了低限制波导、大模场波导及狭缝波导等截面设计对提升器件性能的作用机制。此外，总结了离子注入、磁控溅射和原子层沉积等几种典型增益薄膜制备技术，并对该类器件在片上激光、光通信与光电计算等领域的应用潜力进行了展望，研究结果为硅基掺铒光波导放大器的发展提供了参考。文章以“Erbium-doped/erbium-ytterbium co-doped waveguide amplifiers in silicon-based optoelectronics: recent progress”为题发表在Advanced Photonics 2025 第6期。

材料平台的多元探索与突破，为EDWA提供多样化增益介质选择

增益介质材料的选择是决定光波导放大器性能的核心因素。不同材料平台在稀土离子溶解度、光场限制能力及与CMOS工艺兼容性上各具特色。

（一）基于氮化硅平台的EDWAs/EYCDWAs：离子注入技术突破性能瓶颈

在众多基质材料中，Si₃N₄因其出色的CMOS工艺兼容性、宽透明窗口和通信波段的极低损耗，被视为理想的无源平台，适于构建大规模光波导网络。然而，Si₃N₄对Er³⁺等稀土离子的固溶度较低，常规工艺难以实现高浓度、高质量的掺杂。为突破这一瓶颈，研究人员采用大马士革工艺结合高能铒离子注入技术进行Er:Si₃N₄波导制备，如图1所示。该方法能够精确地将铒离子注入到氮化硅波导，使铒离子在波导中呈高斯分布，并在此基础上成功实现超过30 dB的片上净增益及145 mW的连续光输出功率。这项突破标志着高性能放大功能首次被集成到标准、低损耗的无源氮化硅波导回路中，为在大型硅基光电子芯片中直接制备“片上光源”与“片上放大”扫清了关键障碍。

图1  Er:Si₃N₄光波导放大器

（二）基于薄膜铌酸锂平台的EDWAs/EYCDWAs：调制与放大多功能集成潜力

TFLN 因其卓越的电光、声光和非线性特性，近年来成为高性能有源光子器件的研究热点。当前，基于 Er:TFLN 平台的波导放大器主要有两种加工方案：一种是光刻辅助化学机械抛光（PLACE）技术，该技术能制备出侧壁光滑、损耗极低的波导。如图2（a-b）所示，研究人员基于该工艺已成功实现了从单通道放大器到四通道放大器阵列的系列化器件开发。如图2（c）所示，通过在Er:TFLN平台上引入镱离子并优化波导制备工艺，研究人员在15 cm长的波导上实现了净增益高达27 dB的优异性能，同时将传输损耗控制在0.36 dB/cm的较低水平。另一种是电子束光刻结合电感耦合等离子体反应离子刻蚀（EBL+ ICP-RIE）技术，该方案加工精度高、可重复性好，适用于制备高精度集成器件；利用此技术，研究人员在 Er:TFLN 平台上首次实现了调制和放大功能的单片融合。总体而言，Er:TFLN 平台在电光性能与增益能力方面表现优异，但其核心制备工艺与标准 CMOS 工艺的兼容性问题，仍是推动其走向大规模、低成本产业化应用过程中需要重点关注和突破的方向。

图2 Er/Er-Yb:TFLN光波导放大器(a) 单通道掺铒放大器；(b) 四通道掺铒放大器；(c) 单通道铒镱共掺放大器

（三）基于氧化物平台的EDWAs/EYCDWAs，增益与工艺兼容性协同优势

氧化物材料兼具宽透明窗口、高稀土离子固溶度及良好的CMOS工艺兼容性，是掺铒体系的重要载体。为避免刻蚀增益介质引入散射损耗，研究者发展了多种混合集成方案，将Er:Al₂O₃与Si、Si₃N₄、HSQ及GeSbS等无源波导材料进行异质集成，如图3（a-d）。其中，图3（b）所示的Si₃N₄-Er:Al₂O₃单片集成方案充分利用Si₃N₄的低损耗优势和Er:Al₂O₃的增益能力，通过垂直方向上的绝热耦合结构，成功将增益区与无源波导间的插入损耗降低至0.49 dB，实现了18.1 dB的净增益。除了Al₂O₃以外，氧化碲（TeO₂） 、氧化钽（Ta₂O₅）、 氧化镓（Ga₂O₃） 等宿主材料也展现出较大地增益潜力。尤其是Ta₂O₅材料，其折射率与Si₃N₄相近（~2.1 @ 1550 nm），本征损耗可低至3 dB/m，同时具备比Si₃N₄更高的的稀土离子固溶度和更优异的非线性特性。

图3 氧化铝与不同无源材料平台的混合集成技术方案 （a）Si平台；（b）Si₃N₄平台；（c）HSQ平台；（d）GeSbS平台

除上述进展外，本文亦系统梳理了在硅酸盐与聚合物等材料体系中，铒掺杂及铒镱共掺杂波导放大器的最新研究。这些材料体系各具特色，共同为满足多样化的应用需求提供了丰富的技术选择。

波导结构创新与性能优化：从截面设计提升EDWA增益效率

除材料选择外，波导结构的设计对降低传输损耗、增强光-物质相互作用至关重要。文章系统分析了多种适用于EDWA/EYCDWA的创新波导结构。低限制结构通过采用更薄、更宽的波导芯层，显著降低侧壁散射损耗。在Si₃N₄平台上，基于200 nm厚的低限制波导，研究人员在17 cm波导上实现了15 dB的净增益及C波段可调谐激光输出。大模场结构借鉴光纤放大器（EDFA）中的设计理念，可支持更高泵浦功率，激活更多稀土离子。研究者在Er:TFLN平台上采用该结构实现了113 mW的输出功率，在掺铥氧化铝（Tm:Al₂O₃）平台上实现了W级的片上输出功率。狭缝结构能将光场紧密限制在低折射率的狭缝增益区内，极大增强光与增益介质的相互作用。基于原子层沉积技术（ALD）将Er:Al₂O₃填充入Si₃N₄狭缝波导，研究者实现了20.1 dB/cm的高单位净增益，展示了其在紧凑型高增益放大器中的潜力。无刻蚀增益介质结构通过刻蚀非掺杂的无源波导来引导光场，避免直接刻蚀增益介质。无论是基于氧化物还是硫系材料的无刻蚀增益介质设计，均有效降低了波导的传输损耗。图4 (a-d) 分别展示了所述低限制波导、大模场波导、狭缝波导、无刻蚀增益介质波导四种结构。

图4 EDWA的波导截面设计 （a）低限制波导；（b）大模场波导；（c）狭缝波导；（d）无刻蚀增益介质波导

制备工艺与应用前景：从实验室走向实用化的关键路径

（一）核心制备工艺：多种技术路线支撑高性能器件制备

综述系统总结了增益介质与低损耗波导的制备技术，如图5所示。增益介质制备方面，离子注入可实现选区掺杂，原子层沉积可实现高保形覆盖，磁控溅射适合大面积快速制备，离子切片与键合则是制备绝缘体上薄膜铌酸锂的关键技术。波导制备方面，大马士革工艺通过先刻蚀SiO₂沟槽再填充波导材料，有效避免了刻蚀增益介质导致的侧壁粗糙问题；EBL+RIE工艺在高精度器件加工中表现优异，但受限于产能和成本问题；PLACE工艺结合化学机械抛光，可获得超低损耗的铌酸锂波导，但需进一步解决工艺兼容性和良率问题。总之，尽管目前已有多条技术路线可制备高增益EDWA器件，但开发兼具CMOS工艺兼容性、制备简便性与低成本优势的工艺，仍是推动其走向规模化应用需重点突破的方向。

图5 EDWA的工艺制备 （a）增益介质制备技术；（b）低损耗波导制备技术

（二）应用前景：EDWA赋能多领域硅基光电子技术

文章回顾了Teem Photonics、Inplane Photonics等公司在EDWA领域的早期商业化探索，如图6（a）所示；并展示了近年来一些初创企业推出的高集成度封装原型，如图6（b）所示；这些进展表明EDWA相关产品正加速从实验室走向实际应用。与此同时，EDWA/EYCDWA的应用场景也在不断拓展，如图6（c）所示。在光通信领域，高增益EDWA已成功应用于Tbit级相干光传输系统，支持单通道1.6 Tb/s及16通道25.6 Tb/s的传输容量。在片上激光器领域，结合法布里-珀罗腔、分布布拉格反射腔或微环谐振腔，高增益放大器可实现窄线宽、可调谐的片上激光输出。在激光雷达领域，高功率EDWA可用作调频连续波光源的核心增益模块，有效提升探测距离。此外，在光电计算与生命健康等前沿领域，EDWA可作为片上信号补偿单元，提升系统信噪比与探测精度。

图6 EDWA的实际应用 （a）早期产品形态；（b）近年产品形态；（c）潜在应用场景

总结与展望

本文系统综述了硅基光电子领域中掺铒及铒镱共掺光波导放大器的研究进展。作为硅基光电子芯片的关键组成部分，EDWA/EYCDWA在通信波段的片上光信号放大方面展现出了卓越能力，其发展呈现出从材料探索到系统集成的清晰脉络。在材料体系方面，氮化硅、薄膜铌酸锂、氧化物（氧化铝、氧化碲、氧化钽等）、硅酸盐及聚合物等平台各具特色，为不同应用需求提供了多样化选择；在波导结构方面，低限制波导、大模场面积波导、槽波导和双层波导等创新设计不断涌现，有效提升了器件性能；在制备工艺方面，离子注入、原子层沉积、大马士革工艺等技术的进步为高性能器件制备奠定了基础。展望未来，片上波导放大器的发展将更加注重与整个光子系统的协同创新。随着放大器与调制器、探测器等元件的进一步集成，以及材料与工艺的持续优化，EDWAs/EYCDWAs有望如同当年的掺铒光纤放大器一样，成为光通信、人工智能计算、激光雷达等前沿领域不可或缺的硬件基础，推动信息处理系统向更高集成度、更低功耗、更强性能的方向发展。

期刊介绍

Advanced Photonics (AP) 创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，最新影响因子18.8，在全球JCR光学期刊中位列第7 (Q1区) ，中国科学院一区，入选中国科技期刊卓越行动计划 (二期) 。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus (APN) 接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊，2025年获首个影响因子6，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。