1.2.2 硅基稀土离子掺杂光源

硅基稀土离子掺杂的介质波导放大器与激光器，充分利用稀土元素丰富的能级结构来实现高效的硅基发光，是硅基光电子光源的另一个有效方案。2012 年，特温特大学的Pollnau教授及其合作者开发了一种性能堪比半导体放大器的稀土离子掺杂光放大器[31]。该波导放大器具有极高的单位长度增益（935 dB/cm），但存在空间和时间增益模式效应，并需要制备与硅衬底混合集成的晶体主体材料。这些新的稀土离子掺杂放大器除了可作为芯片上放大器用于高速数据传输，还可用于在纳米光子器件中提供光增益，并可在等离子体纳米结构中实现无损传输。

相较于混合集成的硅基半导体光源，硅基稀土离子波导光源可单片集成，具有更好的工艺兼容性。稀土离子具有更长的激发态寿命（0.1～10 ms），因此具有更长的增益恢复时间，在数据传输时，可以保持在非饱和小信号增益模式下工作，进而拥有更高的速率。2007年，Pollnau教授课题组在掺铒氧化铝（Al₂O₃：Er3+）波导放大器中演示了170 Gbps的高信号传输速率[32]，证实了掺铒波导在高速应用中的潜在可能性。此外，由于半导体材料的热效应，混合集成Ⅲ-Ⅴ族半导体器件在工作中将不可避免地产生额外的热能，带来负面的影响。一种影响是热能的产生会提高器件的局部温度，导致材料增益谱线的中心波长漂移，可能诱发激光模式突变，当偏移量过大时甚至无法形成激光选模。同时，温度的升高也会造成光栅或微环型谐振腔的性能变化，导致激光中心波长偏移以及线宽展宽。另一种影响是，热能的产生也会影响片上其他温度敏感器件的正常工作，这为半导体光源在硅基光电子芯片上的集成带来新的技术难点。相对的，硅基稀土离子掺杂光源相对于半导体材料的热效应显著减弱，基本不会造成温度影响。并且，稀土离子的光激发过程仅涉及离子外层电子跃迁，其对材料造成的折射率变化远小于半导体材料中载流子数目变化造成的折射率变化，因此，硅基稀土离子掺杂光源将具有更窄线宽的激光输出。目前，研究者们已基于分布式反馈型（DFB）谐振腔，成功制备出了线宽窄至1.7 kHz的单纵模稀土掺杂激光器[33，34]。总的来说，硅基稀土离子波导光源具有偏振不敏感、噪声低、温度性能优异、高速带宽大的特点，且较Ⅲ-Ⅴ族材料与CMOS工艺兼容性更好、成本更低，更适用于单片集成。