光波导放大器和激光器是作者在硅基光电子学中最重要方向之一—硅基光源数十年教学科研成果的总结。本书包括绪论、掺铒材料体系的光发射理论与建模、掺铒材料制备与发光特性优化、硅基集成掺铒光波导放大器、硅基集成掺铒光波导激光器、硅基掺铒材料-半导体异质集成光源、高增益单晶铒硅酸盐化合物纳米线光源，共7章内容。本书可作为高等院校光电子学、物理电子学、微电子与固体电子学、光学工程、通信与信息系统等专业高年级本科生和研究生相关课程的教材，也可供相关领域的研究人员和工程技术人员参考。

前 言 随着在互联网时代下海量数据的高速增长，当今社会对带宽的要求越来越高。传统的微电子行业在满足不断增长的通信、计算以及传感应用需求时面临着两大挑战：能效和成本。光子学以更高的信息承载能力和更高的功率密度，可以为此提供解决方案。自20世纪70年代低损耗通信光纤和半导体光电子技术获得突破性进展以来，光通信已经成为大容量通信的标准方案，将光通信技术移植到核与核或芯片与芯片之间的通信中，具有非常大的应用潜力和良好的发展前景。 近年来，随着微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的成熟，硅基光电子技术以惊人的速度发展，成为当今电子和光子技术的焦点。硅基光电子技术是将光子和电子共同作为信息载体，基于硅或与硅兼容材料的工艺平台，发展起来的大规模光电集成技术。它既具有光子通信高速、大带宽、低功耗、低成本的优势，又具有CMOS工艺兼容性，能利用现有CMOS工艺线实现大批量、低成本的制造。硅基光电子技术最有望成为光电集成的主要平台，广泛用于高速光互连的电路和芯片级的数据通信。 作为硅基光电子技术的基本功能单元，硅基光源是当前仍未完全解决的世界性难题。主要原因在于，硅材料本身属于间接带隙半导体材料，其辐射复合的过程必须伴随着声子的发射或吸收，导带底的电子只能间接跃迁到价带顶。同时，俄歇复合和自由载流子吸收两个较强的非辐射跃迁过程也会消耗能带中的载流子。因此，硅的发光效率非常低，仅有10-5，不能作为高效的光源材料。 理想的硅基光源需具备以下几大特征： （1）工作在1310 nm或1550 nm波长上，直接与光纤网络连接。 （2）以紧凑的尺寸和高集成密度进行光/电泵浦。 （3）拥有高转换效率，以获得足够的输出功率。 （4）采用与CMOS工艺兼容的技术制备，用于大规模硅基集成。 虽然硅基发光存在基础性困难，研究者们在过去数十年的努力中仍然取得了重要的进展。鉴于它们的综合性能，目前的研究主要集中于以下三种有前途的硅基光源： （1）硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成光源，利用成熟的直接带隙半导体材料实现高效发光。 （2）硅基稀土离子掺杂光源，在硅基材料中植入发光中心，直接利用稀土发光离子作为工作物质。 （3）硅基应变锗光源，利用能带工程适当改变锗的能带结构，大大增强带隙发光。 本书主要探讨了硅基集成掺铒材料的发光原理、制备方式、表征手段，以及硅基集成掺铒光波导放大器、激光器的理论建模、仿真设计、加工制备、性能测试等内容，对硅基集成掺铒光波导放大器与激光器的发展方向提出了建设性意见。硅基集成掺铒光波导放大器与激光器终将在未来广泛应用于5G/6G通信、数据中心、物联网、智慧城市等领域，满足对海量数据传输与处理的重大需求，对推动未来信息化发展、提升核心科技竞争力具有重大意义。 需要指出的是，书中数据分析所用图、表，部分为仿真软件导出图、表，其数据意义不尽相同，无法也无必要严格按照坐标图的画图规范和数值标注要求进行处理，请读者阅读时注意这一点。 本书由王兴军、周佩奇、王博共同完成，同时也感谢世界各国的合作者提供的部分思路和灵感。

目 录 第1章 绪论 1 1.1 硅基光电子学 1 1.1.1 硅基光电子学的高速发展 1 1.1.2 硅基光电子学的技术挑战 2 1.2 硅基集成光源 5 1.2.1 硅基Ⅲ-Ⅴ族半导体混合集成光源 6 1.2.2 硅基稀土离子掺杂光源 11 1.2.3 硅基应变锗光源 12 1.3 硅基掺铒光源 15 1.3.1 硅基掺铒光源的发展 15 1.3.2 硅基掺铒氧化铝光源 16 1.3.3 铒硅酸盐光源 22 参考文献 28 第2章 掺铒材料体系的光发射理论与建模 35 2.1 铒离子光发射原理 35 2.1.1 铒离子的基本性质 35 2.1.2 铒离子的光辐射理论 36 2.2 掺铒材料体系中的非辐射能量转移 38 2.2.1 激发态吸收 38 2.2.2 合作上转换 38 2.2.3 交叉弛豫 39 2.2.4 多声子弛豫 40 2.2.5 铒离子浓度猝灭 40 2.2.6 铒镱离子间的能量转移 41 2.2.7 铒离子的发光效率 42 2.3 掺铒材料体系的参数理论 42 2.3.1 Judd-Ofelt理论 43 2.3.2 McCumber理论 43 2.3.3 Forster-Dexter能量转移理论 45 2.4 掺铒材料体系的能级模型与速率方程 46 2.4.1 980 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 46 2.4.2 1480 nm泵浦的铒离子能级模型与速率方程 48 2.4.3 980 nm泵浦的铒镱材料体系能级模型与速率方程 49 参考文献 53 第3章 掺铒材料制备与发光特性优化 55 3.1 掺铒薄膜材料的制备 55 3.2 掺铒薄膜结构表征 57 3.2.1 掺铒薄膜的晶格结构表征 57 3.2.2 掺铒薄膜的SEM表征 59 3.2.3 掺铒薄膜的TEM表征 59 3.2.4 掺铒薄膜的AFM表征 62 3.2.5 掺铒薄膜的应力表征 65 3.3 掺铒薄膜发光性能测试 71 3.3.1 掺铒薄膜PL谱、发光寿命测试方法 71 3.3.2 掺铒氧化铝薄膜发光性能测试 73 3.3.3 铒硅酸盐薄膜发光性能测试 73 参考文献 82 第4章 硅基集成掺铒光波导放大器 84 4.1 掺铒光波导放大器建模 84 4.2 光波导放大器结构设计 87 4.2.1 硅基掺铒薄膜混合型光波导放大器 87 4.2.2 硅基氮化硅-掺铒薄膜多层条形加载型光波导放大器 90 4.2.3 硅基掺铒薄膜-氮化硅狭缝型光波导放大器 93 4.3 波导损耗分析 94 4.3.1 散射损耗 95 4.3.2 弯曲损耗 100 4.3.3 吸收损耗、非线性损耗 102 4.4 光放大性能分析 103 4.5 光波导放大器性能测试 106 4.5.1 波导增益测试 106 4.5.2 波导损耗测试 109 4.6 硅基掺铒光波导放大器单片集成 110 参考文献 113 第5章 硅基集成掺铒光波导激光器 114 5.1 激光谐振腔 114 5.1.1 波导型激光谐振腔基本结构 114 5.1.2 基于F-P谐振腔的激光特性建模 117 5.1.3 基于布拉格光栅的激光特性建模 118 5.2 硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 121 5.2.1 硅基掺铒F-P腔型光波导激光器的设计与性能分析 121 5.2.2 硅基掺铒光栅型光波导激光器的设计与性能分析 124 5.3 基于混合型谐振腔的硅基掺铒光波导激光器的设计与分析 134 5.3.1 基于泵浦光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 134 5.3.2 基于信号光谐振外腔的硅基掺铒光波导激光器 138 5.3.3 基于泵浦-信号共谐振混合腔的硅基掺铒光波导激光器 142 5.3.4 基于狭缝型DFB谐振腔的硅基掺铒光波导激光器 149 5.3.5 硅基掺铒光波导激光器的制备工艺与集成方案 156 参考文献 158 第6章 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源 161 6.1 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的结构设计 162 6.1.1 器件整体结构设计 162 6.1.2 垂直泵浦谐振腔设计 164 6.1.3 半导体泵浦有源层设计 166 6.1.4 混合波导耦合设计 167 6.1.5 掺铒增益层设计 168 6.2 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的理论建模 170 6.2.1 半导体异质集成光源建模 170 6.2.2 器件光放大特性建模 174 6.3 硅基掺铒材料-半导体异质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 频率响应特性 179 6.3.4 硅基掺铒材料-半导体异质集成光源的工艺制备方案 181 参考文献 182 第7章 高增益单晶铒硅酸盐化合物纳米线光源 185 7.1 铒硅酸盐纳米线器件的制备和表征 185 7.1.1 管式炉化学气相沉积法材料生长 185 7.1.2 铒硅酸盐纳米线的结构表征 187 7.1.3 铒硅酸盐纳米线的转移 189 7.2 铒硅酸盐纳米线器件的光放大增益测试 191 7.2.1 光放大增益测试平台 191 7.2.2 损耗测试结果分析 192 7.2.3 增益测试结果分析 194 7.3 铒硅酸盐纳米线上转换激光器 195 7.3.1 激光测试系统和测试方法 195 7.3.2 光致发光测试结果分析 197 参考文献 202