单片集成LNOI有源-无源器件的局域热扩散动力学与光子性能提升

1 引言

1.1 LNOI 集成瓶颈

LNOI 的强电光效应（r₃_α=30pm/V））和超低损耗特性（<0.1dB/cm）使其成为光子集成理想平台（参考文献[1]），但其间接带隙特性阻碍有源器件单片集成。异质集成方案因热膨胀失配（ Δa≈4×10^-6/K ）导致界面损耗>0.3 dB（参考文献[2]），离子注入则引发晶格损伤（参考文献[3]）。

1.2 技术突破点

本研究创新性采用梯度温度场热扩散实现：

·选择性掺杂：磁控溅射 Er₂O₃+ 掩模技术实现μm 级空间分辨·动力学调控：温度梯度驱动离子定向迁移（Soret 效应）·界面优化：浓度梯度过渡区（宽度>10μm）抑制模式失配

2 原理与机制

2.1 热扩散动力学

Er³⁺在Z 切LNOI 中的扩散行为服从修正Fick 方程（参考文献[4]）：

其中扩散系数 D ，，。热迁移项强度由热扩散系数ST ⋅≈

0.03-0.04K^-1 （基于离子迁移率模型）表征。

表 1：热扩散参数与浓度梯度关系

2.2 光学性能优化机制

2.2.1 有源区增益调控

增益系数 G=σ_eN₂-σ_aN₁ ，其中：

σ_e=7.2×10^-21 cm²（1540nm 发射截面）

σ_a=5.6×10^-21cm² （吸收截面）

最佳掺杂浓 ♯N_Er=0.5-1.2×10²⁰ cm^-3 （经 MgO 共掺提升固溶度）

2.2.2 无源区损耗抑制

过渡区设计满足：

当 L>10μm 时，模式转换损耗<0.05dB。

·设备：三温区管式炉

·温度梯度：800℃（中心）→700℃→600℃（边缘）

·气氛：O₂/Ar=2：8 混合气体，O₂占比 20%，流速 100 sccm

3.1.5 后处理：

·去除 Si₃N₄掩模（H₃PO₄ 80℃）

·CMP 抛光（SiO₂胶体，去除速率 30 nm/min）

3.2 器件制备

3.2.1 波导加工：氩离子铣削制备脊型波导（500×600 nm²截面）

3.2.2 激光器集成：DFB 光栅周期Λ=310 nm，耦合效率> 95%

3.2.3 测试系统：

·泵浦源：980 nm 半导体激光器（最大功率300 mW）

·光谱分析：Yokogawa AQ6370D（分辨率）

·误码率测试：Anritsu MP1800A

4 结果与讨论

4.1 掺杂特性分析

SIMS 深度剖析显示：

·800℃扩散后 Er³⁺ 峰值浓度 4.8×10¹⁹cm^-β³ ，通过共掺MgO（（0.5mol%））提升固溶度·横向浓度梯度 2.1×10²⁰ cm⁻ ⁴；

·过渡区宽度 12±2 μm（模型预测偏差 58% ）

·Li 空位浓度[ V_Li]≈3×10¹⁹ cm⁻ ³（经 500℃退火降至 1.1×10¹⁹cm^-3; ）

3 实验方法

3.1 工艺流程

4.2 波导性能

3.1.1 衬底准备：4 英寸 Z 切 LNOI（LN 层 600 nm/SiO₂埋氧层 2μm）），RCA 清洗+O₂等离子处理

3.1.2 掩模制备：

·PECVD 沉积 Si₃N₄（200nm，300℃，SiH₄/NH₃）

·电子束曝光（JEOL JBX-6300FS）定义 5-20μm 窗口

·RIE 刻蚀（CHF₃/O₂=30：10 sccm，射频功率 200W）

3.1.3 Er₂O₃溅射：

·靶材：99.99% Er₂O₃

·厚度：50±5 nm

3.1.4 热扩散：

表2：波导性能对比

关键测试数据：

·增益谱特性：1530-1562nm 带宽内增益>10dB/cm（1540nm 处达 18dB/cm）·泵浦效率：在50 kW/cm²泵浦密度下，斜率效率 32% ·散射损耗：表面粗糙度 Ra=0.8nm （抛光后降至 0.4nm ）4.3 集成器件性能放大器辅助激光器测试结果：·功率稳定性：40mW 泵浦下输出波动<0.8dB（传统方案>8dB）·调制性能：带宽 32 GHz，支持 40 Gbps 调制5 结论1、热扩散动力学：梯度温度场（800℃→600℃）实现 Er³⁺ 横向浓度梯度 ⁴，过渡区宽度12±2μm。