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CN1985418A - 将稀土掺杂放大器集成到半导体结构中 - Google Patents

将稀土掺杂放大器集成到半导体结构中 Download PDF

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CN1985418A
CN1985418A CNA2005800081915A CN200580008191A CN1985418A CN 1985418 A CN1985418 A CN 1985418A CN A2005800081915 A CNA2005800081915 A CN A2005800081915A CN 200580008191 A CN200580008191 A CN 200580008191A CN 1985418 A CN1985418 A CN 1985418A
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Abstract

公开了一种集成器件，其包含基板和与该基板集成的稀土掺杂半导体层(REDS层)。该REDS层被图形化以定义一个或多个光学放大结构，各个光学放大结构具有用于接收或输出第一光学信号的第一I/O端口，并具有用于接收形式为电泵浦能量和/或光泵浦能量中至少一种的泵浦能量的至少一个泵浦能量接收端口。在具体一组实施方案中，至少一个光放大结构为拉曼型放大器，其中相应的泵浦能量接收端口被构造成用于接收拉曼型泵浦能量，该拉曼型泵浦能量的有效频率比在相应I/O端口供给的光学信号的信号频率高约一个光学声子频率。还公开了制造REDS层的方法，包括在绝缘体上半导体(SOI)结构中提供这种层，以及用于增大掺入稀土原子的有效的长时间浓度的方法。此外，公开了非平行泵浦技术。

Description

将稀土掺杂放大器集成到半导体结构中
技术领域
本发明的公开内容通常涉及诸如单片集成结构的光子结构中光学信号的固态放大。
本公开内容更具体地涉及在光子和/或电光结构中提供稀土掺杂增益区域及其使用。
专利的交叉引用
下述美国专利的公开内容在此被并入作为参考：
(A)美国专利6,292,288，Akasaka等，2001年9月18日，{简单摘要：多个半导体激光器一起被多路复用(multiplex)来泵浦掺铒光纤以获得平坦的功率输出}；
(B)...为了避免前端聚集，本交叉引用部分的后续部分列于本公开内容的末尾，在复述专利权利要求之前的部分。还引用了另外的非专利材料。
背景技术
分立的光纤通常用作现代光学网络的主要构建单元。这些光纤经常形成具有圆柱形芯剖面以及围绕该芯的一个或多个圆柱壳形的包层剖面，所有这些均由柔性材料制成。芯与包层设有不同折射率，从而鼓励光学信号沿着光纤传播，该传播通常利用了全反射。
理论上，光学信号通过光纤应该可以行进非常远的距离。然而，真实世界中的光纤呈现损耗和色散。因此，经真实世界光纤行进的光学信号丧失光学信号强度和/或波形完整性。这些信号经常需要被周期性地放大，且这种信号的信号内容(例如波形)需要频繁地再成形(reshape)或再生(regenerate)，典型地采用所谓O-E-O模块。通常，O-E-O模块首先将减弱和/或失真的光学信号转换成电学形式，随后修复(recondition)转换后的信号(O-E转换)并接着例如使用电调制激光来再生该信号返回到光学形式(E-O转换)，由此产生新生的信号。沿传统光纤连接通常每50公里左右就发生这种O-E-O过程。
除了O-E-O再处理之外，简单的光学放大(无转换和波形修复)还可以发生在传统的光纤连接上，通常是发生在较短的传输间隔内。用于提供这种仅光学放大的关键元件之一为所谓的掺铒光纤放大器(EDFA)。EDFA被广泛地用于光纤光学远程通信产业，包括用于长距离网络和城域网络。顾名思义，EDFA通常包含芯掺铒(Er)的分立的光纤。Er掺杂致使被掺杂的光纤剖面作为增益介质。当使用例如来自合适波长的激光的外部泵浦能量泵浦这种增益介质时，光纤中适当波长的光学信号可以被放大。
除了EDFA之外，在该产业中也用到所谓的半导体光学放大器(SOA)，特别是对于光纤布局经常不超过几百英里的城域网络。本领域技术人员了解，SOA处理的光学信号的量子噪声水平相对于由EDFA产生的量子噪声水平是非常高的。这根本地限制了可以配备SOA的应用情形。
在传统EDFA中，通过适当耦合的泵浦激光将能量添加到输入的光学信号中。泵浦激光通常为固体激光器的形式，工作波长约为980nm。最近，业界已经开始采用新型EDFA，即所谓的拉曼泵浦EDFA，又称为掺铒拉曼放大器或EDRA。EDRA趋于呈现远优于标准EDFA的性能，且人们认为EDRA可以将仅光学的信息传送距离延长到几百英里长的光纤或更远，而无需信号再生。不同于标准EDFA，这些拉曼放大器(EDRA)使用激光频率比信号频率高约一个光学声子频率的泵浦激光。换而言之，对于用于长距离光纤光学网络的中心波长约1.5μm的标准C波段，所需要的泵浦激光的波长比承载信息的波长短约100nm(即，这种情形下约1.4μm)。人们认为，声子相互作用和非线性介质行为产生所观察到的信号强度增益。
尽管更新的拉曼放大器(EDRA)的性能非常好，但分立的EDRA放大器模块的成本趋于非常高，远高于目前已经较昂贵的分立的EDFA模块。另外，传统的EDRA以及EDFA都遭受物理尺寸非常大且功耗高的缺点。
当用于1.5μm的C波段信息传输应用时，传统EDRA和EDFA的增益介质典型地均为掺铒(Er)的分立的光纤。可由多个不同波长的半导体激光器定义泵浦源，这些激光器被一起多路复用以覆盖远程通信网络所要求的宽波段范围。可以提供各种调制，从而在所使用的频率段的整个波长范围内获得平坦的功率输出。这些调制可包含调整不同波长的泵浦激光和/或配置增益平坦波长滤波器(增益均衡器)。
最近，人们已经研究了掺铒聚合物材料(有机化合物)并提出了基于这些掺铒聚合物的光学放大器。这些提议包括建议制造平面波导，其中使用掺铒聚合物制造该平面波导以提供尺寸小、低廉且易于量产并可以与其它平面光学元件(例如平面波导)单片集成以执行不同功能的器件，即所谓的光子集成芯片。这些提议存在缺点。聚合物基材料趋于不稳定且不可靠，这是由于其有机材料本质所致(例如，这些材料趋于具有嵌有孔洞的大的无序分子链，这些孔洞会从环境俘获气体和/或释放或吸附气体，导致聚合物基放大器对于诸如温度和/或湿度变化的环境变化非常敏感)。
由于这些缺点，该产业仍然缺乏提供集成光学信号放大器而不承受通常与分立形式的EDRA和EDFA相关的高成本、大模块尺寸和高功耗的实用方法。
发明内容
根据本发明的公开内容，可以提供用于改善现有技术中的上述缺点的结构和方法。
更具体地，根据本公开内容的一个方面，提供了一种单片集成器件，包含：(a)基板，和(b)与基板集成的基本上是无机的稀土掺杂半导体层(REDS层)，其中REDS层被图形化以定义一个或多个光学放大结构，这些光学放大结构分别包含(b.1)用于接收或输出第一光学信号的至少第一I/O端口，和(b.2)用于接收形式为电泵浦能量和/或光泵浦能量中至少一种的泵浦能量的至少一个泵浦能量接收端口。在具体一组实施方案中，这些光放大结构中至少一个为拉曼型放大器，其中相应的泵浦能量接收端口(b.2a)被构造成用于接收拉曼型泵浦能量，该拉曼型泵浦能量的有效频率比在相应I/O端口供给的光学信号的信号频率高约一个光学声子频率。
根据本公开内容的另一方面，REDS层(稀土掺杂半导体层)被图形化以进一步定义一个或多个光学处理元件，例如多个波导(WG，或者更具体地，可以分别处理不同波长而提供波长域多路复用和多路分离(demultiplexing)的阵列波导(AWG))、光栅、相移调制器、以及光学、电学和/或机械(MEM)控制的空间多路复用器和/或多路分离器。使用半导体基增益介质(例如适当地掺杂了一种或多种稀土元素的单晶硅)替代有机基增益介质，则可以提供与诸如AWG等的另外光学处理功能集成的稳定和可靠的光学放大。因此，可以提供一种具有良好可靠性和稳定性的集成、固态、平面光学器件，该器件可以采用电泵浦能量和/或光泵浦能量，其中后者可以为拉曼泵浦或非拉曼泵浦。如果使用拉曼泵浦，该器件可以被构造成再成形(修复)被放大光束中包含的光学信息，通常如O-E-O模块那样包括电学放大工具、电信号修复以及光信号再生工具。
根据本公开内容另外方面可以看出，诸如硅和/或氧化硅和/或其它半导体和/或其化合物的无机材料可以集成地形成为单片或其它集成器件的一部分以定义光学增益介质，该光学增益介质掺铒(Er掺杂)以用于例如1.5μm传输波段，和/或掺其它稀土元素例如Nd+或Yb+以分别用于1.34μm或1.3μm波段。形成稀土掺杂半导体区域的制备方法可包含稀土元素的表面等离子体沉积、和/或在气相沉积工艺(例如CVD、ALD等)中夹杂(inclusion)稀土元素、和/或将稀土元素扩散、和/或离子注入到用作光学增益区域的材料区域中。另外，可通过分别使用更易溶解的稀土化合物(例如ErO)，其中这些稀土化合物可以与其基体材料形成更易溶解的络合物(例如Er-O-Si＝Si＝..)，由此可以增大掺入基体材料(例如Si或SiO2)的稀土元素(例如Er)的浓度。另外或者备选地，可通过将稀土元素俘获在非晶层(例如非晶硅和/或非晶氧化硅或非晶氮化硅)之下或之间，从而减小特别是由于快速热退火等激活稀土掺杂剂(例如Er)而引起的向外扩散，由此可以增大掺入基体材料(例如单晶或多晶Si或SiO2)的稀土元素(例如Er)的浓度。
根据本公开内容的另外方面可以看出，光学增益区域可集成在脊形波导、肋形波导等内，且后者可定义放大波导、放大阵列波导(AWG)、放大光学开关、以及可以用于光子集成应用的其它适当小尺寸的光学或电光元件。可以看出，可以采用各种光学增益介质泵浦方法，包括电流注入(用于产生电激发发光或电致发光)、使用980nm激光泵浦和/或使用拉曼泵浦。可以看出，可以使用各种泵浦能量注入配置，包括非平行注入(这包括使泵浦光束沿与平行于且严格地与信号束方向一致的方向不同的任何方向传播)，更具体地，使泵浦光束通常垂直于承载信息的信号光束传播，并在增益介质内以非平行的方式反复地来回反弹该泵浦光束，从而增大泵浦光束、信号光束和可获得的浓度的稀土原子这三者之间发生的信号放大交互作用的数目。更具体地，可以使用金属或其它镜面(mirror)以提供泵浦能量穿过增益介质的多次内部反射，由此增大泵浦效率并减小泵浦-信号干扰，且由此产生具有改善信噪比的、容易提取的输出信号束。
根据本公开内容另外方面可以看出，一体形成的光学增益区域可以用于制造有源而非无源多路复用/多路分离(MUX/DEMUX)元件，使得这些通常有损耗的元件可以变得基本上没有损耗或者甚至提供大于1的增益。具有增益元件的这种改进的MUX/DEMUX可适合用于创建城域光学网络而无需其它类型的更大或更昂贵的放大器(例如分立的EDFA、SOA等)。根据本公开内容形成的器件可以用于单波长工作或多通道波分工作，可以具有/不具有集成的MUX/DEMUX功能。
可以看出整体形成的光学增益区域可以用于单片形成掺铒平面放大器(EDPA)或掺铒平面拉曼放大器(EDPRA)以用于即时(on-the-fly)光学信号再生(即，无需O-E-O转换)，还可用于消除集成光子元件和模块中的无源波导损耗。根据本公开内容制作的器件可获得紧凑的尺寸、量产成本低、且具有和由相似半导体材料(例如仅掺杂提供电学导电性的掺杂剂的Si、SiO2等)制作的电子集成电路相关的可靠性和一致性优点。可以看出，根据本公开内容制作的器件可适用于光子、电子和/或电光功能性的芯片上集成(on-chip integration)，从而提高整体有效性而基本上不牺牲器件性能。
根据本公开内容的用于量产集成光学和/或电光器件的方法可包含步骤：(a)将一种或多种稀土元素以适当浓度掺入到硅和/或氧化硅并且/或者掺入到其它半导体和/或且介电化合物中，其中当半导体和/或半导体化合物区域被生长、或以其它方式直接形成于单片集成器件上时、或者当这些区域形成以用于随后被键合到单片集成器件时，发生该掺入，且其中该掺入在集成器件内相应地定义了一个或多个光学增益区域；(b)在集成器件内定义各个信号输入端口，用于将输入光学信号接收到该一个或多个光学增益介质区域的相应区域内；(c)在集成器件内定义各个泵浦能量接收工具，用于将泵浦能量接收到该一个或多个光学增益介质区域的相应区域内；以及(d)在集成器件内定义各个信号输出装置，用于从该一个或多个光学增益介质区域的相应区域输出光学信号。该制造过程可进一步包含形成适当的泵浦能量引导装置，用于将辐射的泵浦能量和/或注入的电流引导到该一个或多个光学增益介质区域内，从而促进泵浦能量、输入光学信号和掺入的稀土元素之间的相互作用。掺入该一种或多种稀土元素可包括提供一种或多种接合剂，例如氧，以增强稀土元素(例如Er)与基体材料(例如单晶Si)之间的键合，和/或包括提供一个或多个俘获层(例如非晶Si和/或非晶氧化硅)以减小掺入的稀土元素的向外扩散，和/或提供一个或多个快速热处理步骤以激活基体材料各个部分内所掺入的稀土元素。
通过下述详细描述，本公开内容的其它方面将变得显而易见。
附图说明
下文中的详细描述部分参考了附图，其中：
图1为具有肋形波导的传统SOI(绝缘体上硅)集成器件的剖面侧视图；
图2A为示出了本公开内容制造工艺中第一步骤的剖面侧视图，其中具有第二折射率η’1的SiO2层被一体提供在具有不同的第一折射率η’0的Si基板上，且该第一步骤可选地包含表面掺入工艺，该工艺将一种或多种稀土元素掺入该氧化硅层的上表面，并且/或者该步骤可选地包含注入工艺，该工艺将稀土掺杂剂注入到该氧化硅层的更深部分；
图2B为示出了本公开内容制造工艺中继续图2A的步骤的第二步骤的剖面侧视图，其中具有第三折射率η’2的第二Si层被一体形成(或者分别在随后被键合)在该SiO2层上以提供集成SOI器件，且其中第二步骤可选地包含在使用气相沉积(例如PVD、CVD、ALD)外延或其它方法形成第二Si层时将稀土掺杂剂掺入该第二Si层；
图2C为示出了本公开内容制造工艺中继续图2B的步骤的第三步骤的剖面侧视图，其中稀土掺杂剂可选地被注入或另外以其它方法(例如扩散、生长)掺入到第二Si层；
图2D为示出了本公开内容制造工艺中继续图2C的步骤的第四步骤的剖面侧视图，其中第二Si层被图形化以定义包含光学增益区域的肋形或其它波导结构；
图3为示出了根据本公开内容的集成器件的示意性俯视图，包括电学和/或光学可泵浦的光学增益区域，且其中该可泵浦的光学增益区域被用于在集成器件中定义各种有用的结构，例如AWG、光学开关等；以及
图4为示出根据本公开内容的另一个集成器件的剖面侧视图，该集成器件具有附着到该器件上或者一体形成在该器件中的金属或其它反射层，用于将穿过光学增益区域的光学泵浦辐射反射分布。
具体实施方式
图1为传统SOI(绝缘体上硅)集成器件100的介绍性方框图和剖面侧视图的组合，集成器件100的上硅层已经被图形化以定义一对肋形光学波导。肋部分被标记成140和142。集成电子器件电路示意性地被示成存在于区域130中或在区域130附近。
更具体地，所示器件100构造成具有单晶硅基板105，其具有各自第一折射率η0以及各自第一厚度D05。二氧化硅层110通过热生长或以其它方式形成在基板105上以提供第二层，其具有各自第二折射率η1和各自第二厚度D10。多晶硅层120(可以是或包含非晶材料)例如通过化学气相沉积(CVD)或其它方式被提供于层110顶部上，从而提供又一个区域，其具有各自第三折射率η2和各自第三厚度D20。备选地，层120可能开始时是单独生长的单晶硅层，随后通过公知的晶片键合和层分离技术键合到附有介电层(110)的基板(105)上。层120的原始的第三厚度D20的一部分可能由于平整化(例如CMP)、蚀刻或其它制造工艺而消失。所使用的各种制造工艺形成了如图所示的向上凸起的肋140和142。
在又一个实施方案中，硅层120可以是单晶，可以通过例如注入氧(SIMOX工艺)而提供掩埋氧化硅层110。重要的在于形成绝缘体上硅(SOI)结构存在许多种可能的方法。诸如场效应晶体管等的各种电子元件可制作在示意性所示的区域130内，可以使用第一和第二半导体层105、120以及中间介电层110作为形成这些电学功能元件130的基底。关于如何有效地将元件130的电学功能与由诸如集成的肋结构140和142提供的光学功能集成，已经存在许多各种提议。
肋部分140和142定义更大的肋形光学波导的各个部分，其中这些光学波导可以用于限制和引导经过这些部分的光子信号传输。为了方便，标记这些更大的“波导”的参考数字(140和142)与用于标记其各个向上凸起的肋部分的参考数字相同(其中肋部分是指层120向上凸起高度分别为H1和H2的部分)。由于信号周围的区域的有效折射率不同，所以出现对传输的光子信号的限制。更具体地，波导140理解成包含其各个向上凸起的肋140，其中肋140的高度尺度为H1，有效宽度尺度为W1。波导140理解成进一步包含肋下深度尺度D1，如图所示。肋形波导区域中材料的有效折射率(例如硅层120的η2)以及围绕肋形波导的材料的有效折射率(即，层110的η1和从上方围绕的肋140的η3，其中顶部围绕材料可以是空气、或氧化硅、或氮化硅)之间的不同趋于导致适当注入的光学信号被限制在肋与其正下方的区域内，由145处的三个箭头符号大体示出了这个区域。顺便提及，上方围绕材料，示成围绕肋部分140，可以定义可选的包层141的一部分。
符号145是用于粗略介绍。光学强度分布和限制在毗邻的肋形波导142中更精确地示出。可以看出，肋形波导142具有各自高度H2、宽度W2、深度D2、及其与第一波导的第一肋部分140(包层141所覆盖的部分)的分隔距离S12。虚线等强度线用于表示可由第二波导142限制和传输的限制光学信号150的不同强度区域。通常在肋与层120的主体相交附近的芯区域151中发现光子信号150的强度最大部分。通常，绝大部分信号的浓度和强度被维持在由强度轮廓线153所示的光学信号传导介质的物理边界。在一些情形中，小部分信号强度可能超越(泡腾)跨过该材料边界，并进入由外围强度轮廓线155所示的毗邻区域内。具体光学信号的具体行为取决于各种因子，包括但不限于信号波长、信号强度、信号模式、信号传导材料中及其周围的有效折射率数值的分布、信号传导材料的线性度等。
图2A提供了根据本公开内容的第一结构200的剖面侧视图。所示结构200(基板加电介质)为制造半成品，正被制成用于支持在制造过程结束时的第一光子信号250的引导的传输(其中信号250用虚线强度轮廓线表示，峰值强度位于核心区域251)。结构200的基板205可包括单晶硅，或者可包括具有单晶或另一种晶体结构的另外类型的半导体(例如SiGe、GaAs)。另外，基板205可由适用于制作微型光学和/或光电器件的其它刚性支持材料(例如金属、陶瓷等)制成。
结构200的介电层210可以是热生长的二氧化硅，或者可以为旋转涂覆玻璃或其它肋形的电绝缘和/或光学可用的材料，这些材料包含但不限于二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。包含但不限于二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅的电绝缘和/或光学可用材料的非晶表面区域可被沉积(通过CVD或其它方式)在层210的顶部上(未单独示出)，以提供俘获稀土元素的功能，这将在下文中进一步解释。如果光子信号250被完全在接着形成的层220内(见图2C)引导，则层210顶部应该被适当地平滑(例如通过化学机械抛光(CMP)、蚀刻和/或其它方法)以提供良好的反射和/或折射而不失真。尽管未示出，在一些实施方案中可将等厚或图形化的反射金属(例如铝、金等)膜夹置在层205和210之间(或者设于基板205之下)，用于提供反射光学性能和/或可选的导电性能。在一些情形中，介电层210可用于传导光学信号，在这种情况下，层210的厚度必须制成相当大，例如大于5微米(例如约7至10微米)，从而将光学信号包含在介电层内。另外，如果是这种情况，则可以不需要上硅层220(图2B)以提供光学信号的限制传输。然而，在绝对部分情形中，当存在接着将形成的上硅层220(图2B)时，层210的厚度可以非常小，例如为约1微米或更小的量级。
和图1的传统情形不同，图2A的制造半成品200可调整成包含将例如铒(Er)、镱(Yb)、钕(Nd)等的稀土元素掺入结构200的适当部分(例如215和/或其它部分)。(Er、Yb、Nd等的)掺入位置以及掺入的浓度可取决于待传输的光学信号(例如250)位置与方式、所需要的目标增益或传播损耗的减小、以及相应基体材料(例如层210的SiO2)中可获得的有效(光学激活的)稀土元素浓度。对于光子信号将传输穿过例如220的硅层的情形(如图2B所示)，稀土掺入过程221可以使用高能深度注入至层220内，使得这样掺入的稀土元素225陷在表面下很深的位置。另外，富稀土元素的层220的至少一部分(例如顶部表面部分)可以形成为非晶硅或非晶电介质(例如SiO2)等，从而为待掺入的稀土元素提供更高的掺杂浓度。在一个实施方案中，相对薄的非晶电介质和/或相对薄的非晶半导体的交叠层与多晶半导体层(例如N型或P型多晶硅)一起沉积，提供俘获稀土元素的功能。在形成非晶俘获层之后，通过执行一个或多个快速热退火步骤，掺入的稀土元素可以被光学激活(例如有效地结合到基体材料)。在一个实施方案中，各个快速热退火包括使用IR灯和/或微波发射器，快速将表面温度提高导约900℃至1200℃并保持约30秒以下(例如10秒以下)至几分钟。快速热退火可以致使掺入的稀土元素(例如单独的Er或者作为接合化合物例如Er2O3的一部分)有效地结合到周围的基体材料(例如硅或氧化硅)，从而随后提供光学增益功能和/或光学信号修复功能。
诸如在215、225(图2C)等所示的掺入稀土元素浓度可根据所掺入的稀土元素在基体材料中的固溶度而变化。对于各种稀土原子在支持层(例如220和/或210)基体材料中的可工作的浓度通常为约1018原子/cm3(10E+18原子/cm3)或更大的量级。更高的浓度是理想的。被使用的有效浓度将取决于要获得的增益以及其它适当的考虑，包括以提供增益、分布的方式将掺入的稀土原子有效地结合到其基体材料。为了把稀土掺杂剂牢固地结合在基体材料中从而在激活热退火时或者随着时间推移不会向外扩散并适当地分布在基体中，其一种方法是将氧和/或其它接合剂分布地添加到基体材料中，从而产生诸如Er-O-Si的接合络合物，而不是纯粹试图保持Er原子自身溶解在基体材料的固体基质内。如果使用氧接合剂作为固溶度增强剂，Er浓度可达到约5×1019原子/cm3。增强固溶度的另一种方法是，在气相沉积、旋转涂覆或其它方法形成基体材料时，将由接合剂以及稀土元素组成的化合物(例如Er2O3)混合到基体材料中。再一种方法是形成一个或多个非晶俘获层。(该非晶俘获层技术优缺点兼备。该技术有助于更好地将稀土元素俘获到基体材料中，但和完全由单晶或多晶材料形成的基体相比又使基体的光学品质退化)。快速热退火或其它技术可用于光学激活接合络合物(例如Er-O-Si)。在接合/稀土化合物(例如Er2O3)被混合到正在形成的基体材料时，可以同时混入相对较纯形式的稀土元素(例如Er)。备选地或另外，接合剂(例如氧、氮、硫等)可通过离子注入被添加，或者可以来源于CVD载气。因此，可以获得不同的接合剂(例如氧)与稀土元素(例如Er)之比，即使接合/稀土化合物(例如Er2O3)的化学配比可能表明不是如此。
通过使用适当的一种或多种接合剂用于形成稀土接合络合物(例如Er-O-Si)，可以增大被牢固嵌入在基体材料内且在热激发时或者随着时间推移(长时间-在器件的工作寿命期间，可能长于5-10年)不会向外扩散的Er掺杂原子的数量，在该情况下，与简单地仅将元素形式的Er(或其它稀土元素之一)单独混合到固溶度通常有限的基体材料(例如硅)中而得到的有效稀土浓度进行相对比较，就可以看出这种增大。当通过使用一种或多种增大固溶度的技术(例如，通过混合诸如Er2O3、ErN和/或ErS的接合/稀土化合物以及非晶材料俘获)而增大牢固地掺入的稀土元素的浓度时，增益介质存在更多的稀土原子与信号以及泵浦辐射发生相互作用。浓度增大的稀土元素可实现更有效的光学放大机制。
如前所述，在诸如硅的基体材料中保持更多Er原子的另外或备选方法为，使用非晶形式的基体(例如非晶硅或非晶氧化硅等)作为一个或多个中间俘获层(薄)和/或作为盖层(厚)作为基底层，由此阻止稀土元素(例如Er)从基体材料向外扩散。非晶材料的光学透射性能不如由相同基体材料的单晶形式的光学透射性能，但是通过将相对薄的非晶形式的层与相对厚的非非晶形式的层交织则可以对此进行折衷。与简单的非非晶形式的基体材料的标准固溶度极限相比，使用非晶基体材料和/或接合络合物中的一种或两种可以允许将更高浓度的稀土原子(例如铒原子)牢固地保持在基体材料中。因此，通过使用能更好地接合到基体材料的稀土/接合化合物(例如ErO、ErN、ErS)和/或使用非晶俘获层，可以将有效浓度更高的稀土原子掺入基体材料(例如硅)中。在基体材料络合物中形成适当的俘获和/或接合区域之后，通过下述方法可以达到更高浓度的稀土元素：一种或多种稀土元素的附加的高能注入，接着快速热退火以促进附加的稀土部分的分布扩散和激活，其中该部分甚至可以从毗邻的上边界或下边界进入。
在上述内容情况下且现在参考图2B，示出了接着图2A制作的制造半成品201的剖面侧视图。在接着的制造步骤221中，形成可以提供光波导功能且可选地可以提供导电功能的基体材料层220。在一组实施方案中，形成的新层220包括硅和/或其它半导体材料，其它半导体材料为例如SiGe或III-V族化合物，例如GaAs、GaAlAs、InP、InGaAs、InGaAsP等。形成的新层220可另外或备选地由例如二氧化硅的其它光学介电材料组成。新层220的形成可以发生在远离基板205和电介质210的初始组合的位置，随后新层220可以通过已知的晶片键合技术被键合到该组合上。鉴于此，新层220可以单独生长为单晶层，之后可选地覆盖了非晶Si或非晶SiO2层(以提供稀土俘获功能)。使用上述的浓度增大技术，可以将一种或多种稀土元素被掺入到该单独生长或以其它方式添加上去的新层220中。
在一组实施方案中，层220的折射率(η’2)大于层210的折射率(η’1)并大于空气或将在稍后提供的可选包层(图2D中的235)的折射率(η’3)。因此提供了光学波导通道。将新层220附着到基板205和电介质210的初始组合的方法包括直接晶片键合或芯片键合，和/或使用气相沉积技术例如化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)或包含物理气相沉积(PVD)的其它沉积形式和/或用于形成绝缘体结构上半导体(SemOI)的其它适当方法。非晶沉积和非非晶沉积之间的交替可通过已知技术实现，以促进形成基体材料的各自非晶及非非晶形式。在形成新层220时可以使用备选的掩模226，以排除在最终形成的集成器件(图2D的204)的特定区域中形成波导材料(220)和/或稀土掺杂(RED)形式的新层220。如图2B中在221所示，形成光学波导通道层220可包含在用于形成层220一实施方案的气相沉积气氛中夹杂一种或多种稀土元素(和/或稀土化合物)。如果采用其它方法(例如选择性原子层沉积或ALD)制作层220，则可以通过其它方式夹杂一种或多种稀土元素。在形成时(221)掺入稀土元素(例如Er)，可以在光学波导通道层220的所有深度中形成浓度均匀的稀土原子，或者备选地，认为适当的稀土浓度可以是(平滑地或离散地分级地)逐渐变化的。在采用快速热退火时，附加的稀土元素可以从介电层210上的先前掺入稀土元素的顶层215’向上扩散。
接着参考图2C，示出了在光学波导通道层220’已经形成足够厚度(H3+D3+…)以支持计划的肋形和/或脊形结构之后继续的半成品结构202的剖面侧视图。更具体地，如果肋形波导之一(见图2D的243)具有肋高度H3和深度D3，则预图形化的形式220’应该具有足够的厚度(H3+D3+…)，其中“+…”因子表示由于平整化和/或蚀刻所致的材料损耗。在一组实施方案中，预图形化的厚度(H3+D3+…)约为1至10微米。
在这个制作阶段(图2C)，可以执行附加的和/或备选的稀土注入和/或表面沉积222。表面沉积之后可进行后续的快速热驱至下部材料220中。可选的离子注入可配置成在各个适当深度，例如在D251提供一种或多种期望浓度的掺入稀土元素，在深度水平225提供更高浓度的稀土元素(例如Er)。这个深度水平225可与计划的并将引导光学信号250的芯浓度区域251大致对准。可以根据需要等厚或采样掩模进行稀土元素注入和/或表面掺入222，之后进行快速热退火。例如在227示意性示出的掺入图形化掩模因此是可选的。可选的掩模227可用于保护计划的集成电子器件区域230’受到光学掺杂剂(稀土和/或其它)的污染。本领域技术人员将会理解，导电和/或光学波导通道220’可包含一种或多种半导体(例如Si、SiGe、GaAs等)和一种或多种光学掺杂剂(例如Er、Yb、Nd等)和/或提供导电的掺杂剂(例如砷、磷和硼)。在光学/电学引导通道层220’为单晶的备选实施方案中，可以采用公知的SIMOX工艺通过注入氧和/或氮，形成绝缘层210和/或一个或多个非常薄的稀土俘获/接合层(未明确地示出)。在将新层220’晶片键合到介电层210上之前，结合基板205的热氧化，可以提供更厚形式的介电层210。
接着参考图2D，示出了制造半成品结构的后续形式204的剖面侧视图。在步骤234，使用等离子体蚀刻或其它蚀刻和/或其它图形化方法，形成期望的光波导肋和/或脊和/或其它适当的光学结构。导电的光学部分和/或光学波导通道220”被图形化形成肋243、244、245等的同时，根据需要对集成电子器件区域230”进行适当的蚀刻，例如用于制作晶体管、二极管(包括光电二极管)等。各种掩模228可用于确定总体结构204不同区域中的图案。如果需要则可采用适当的可选掩模，在步骤235中提供另外的电绝缘和/或光学包层。电学隔离和/或光学钝化的包层可包括氧化硅、氮化硅或其它适当的材料。在一些实施方案中，光学肋无需任何包层，可以采用空气作为适当的折射率介质以减小成本和工艺复杂度。可以通过和减法蚀刻相对的选择性沉积光学波导通道材料而另外或备选地形成例如所示243、244和245的光学波导肋。选择性添加的波导通道材料可通过上述方法掺入稀土元素。
图2D的结果产品示成包含两个紧靠的波导肋243和244，肋间隔距离为S34。各个波导宽度W3和W4可以相同或不同，取决于各个光学信号250和257的计划的限制配置。波导肋高度H3/H4和波导通道深度D3/D4类似地可以相同或不同，因为各自的波导肋取决于计划的限制轮廓和不同光学信号250和257之间的可能的相互作用。可在结构204中调整稀土掺杂分布，以适应各个信号及其相互作用区域的光学信号芯(例如251)的不同预计位置。
在图2D的说明性的示例中，肋243和244可定义所谓的3dB耦合器的部分或者Y形光学结的部分。信号250和257之一可代表泵浦能量而另一个代表输送信息的信号，或者两个信号都为交叉调制的信息信号。适当的信号放大和/或交叉调制可开始于交叠区域258，其中这些信号相互交叉并与稀土掺杂的光学通道介质交叉(220”)。对于Y形结的情形，当Y形结相互靠近时，各个光学信号250和257的芯(例如251)应该相交并同时与高浓度稀土水平225’交叠。尽管未在图2D中示出，可以在光学/电学传导通道220”中提供各种垂直隔离区域(例如沟槽隔离)，用于在层220”的不同导通区域之间提供更佳的隔离。这些隔离区域可填充了氧化硅、氮化硅或其它适当的光学隔离材料或结构。另外，如果需要，可在包层235的顶部上或者直接在波导肋243、244(未示出包层)上提供光学反射金属层(例如铝、金等)以提供光学反射功能。相同或不同的金属层还可提供导电的功能和/或产生电场的功能，以用于在需要时形成光学相移调制器(例如受温度调制)和/或电路。
图3为根据本公开内容的集成电路和光路的示意性俯视图。在器件300中示意性示出的结构为示范性用途，当在诸如这里所述的绝缘体上半导体(SemOI)配置中可使用稀土掺杂半导体材料时，可以有利地获得这些用途。
项目301代表可耦合到单片或其它方式的集成器件300的输入光纤。可以使用各种光纤至芯片的耦合机制。图3示出了光学聚焦机制302(用弹簧状图形示出)，被用于将光纤301的输出光束聚焦到芯片上波导303内。这是示范性的示意表示。实际的光纤至芯片耦合方案可包含标准光纤尾纤(pigtail)连接，例如通过使用具有或不具有光学模式匹配/转换的UV可固化指数匹配的流体(UV胶)，使用光纤与微透镜的组合和/或使用用于耦合的以透镜为尖端的光纤端部，将该光纤粗端耦合(butt coupling)到芯片上波导。波导303的相对端(右侧)被示意性示成有效地将所传输的信号经另一个光学耦合器304耦合到输出光纤305。在一个实施方案中，使用一种或多种前述浓度增大技术，整个光学引导/电学传导通道320被等厚掺杂了Er和/或其他稀土元素。然而，到处都示出被激活的稀土原子的掺入将使器件300其它方面的说明变得模糊。因此，将第一组富Er区域321a-321b示成设于波导303的输入侧，用于放大所提供的C波段输入信号311，该输入信号311从输入光纤301被导入到波导303的左侧。换而言之，输入信号311在所示示例中具有自左到右的传播方向。
在一个实施方案中，通过设于子区域321a附近的电学传导(例如，金属的)电极371和372，将电泵浦能量输入到富Er子区域321a的半导体材料内。该电学传导的电极371和372可相对地设于波导肋(303)的侧壁上并且/或者这些电学传导电极可沿波导303的上/下边界和/或其周围的材料相对地或以其它方式设置。在所示示例中，电极371接地，而电极372由耦合到芯片300VCC电压源的电流源驱动。在富Er子区域321中流动的电流可以提供载流子注入和后续的放大能量，用于放大沿富稀土波导303的光学限制和引导部分传播的输入信息信号311。电学传导电极371和372可沿波导303整个长度延伸，或者电荷泵浦375和这些电极的重复拷贝可沿波导303整个长度提供。然而，到处都示出这些部件将使器件300其它方面的说明变得模糊。因此，电泵浦方面仅在子区域321a中示出，作为范例用于说明如何实施对供给的输入信号311的电学驱动放大。如果需要，电流源375当然可以被电学调制，从而在信号311的光学载体上编码强度调制的信号。
被电学放大的光学信号341可备选地或另外地被从供给光学泵浦信号315获得的光子泵浦能量增强(boost)和/或修复。在图3中，光学信号341被示成沿波导303朝向第二富Er区域322继续。(再次，目的是表示整个光学/电学传导通道320等厚掺杂了Er和/或其它稀土元素。然而，到处都示出会使说明变得模糊。因此，示意图中示出了分离的区域321a、321b和322)。第二、富稀土元素区域322被示成接收从供给光学泵浦信号例如315收到的光子泵浦能量。泵浦信号315被示成从第二光纤305输入，经适当的光纤至芯片耦合装置(例如尾纤耦合器)304被耦合到波导303右侧之后沿自右向左的方向传播。自右向左传播的泵浦信号315与富Er区域322并与对向传播的信息信号341相互作用，由此提供进一步的放大和/或信号修复并由此产生自左向右传播的光学输出信号319。光学输出信号319沿自左向右方向被耦合到波导303之外并耦合到输出光纤305内。通过Y型耦合器304或其它方式可以实现这种耦合。输出光学信号319(例如C波段信号)并非必须沿引入泵浦信号319的相同光纤305传播。除了共用的经过波导303的传播之外，这些信号还可以沿不同光纤和/或其它通道传播。在一个实施方案中，光学泵浦信号315被允许继续沿路径316从区域322进入富Er区域321a、321b，使得波导303的整个长度被由泵浦信号316供给的光子能量泵浦。在替代实施方案中，可以出于多个原因中的任何一个将外流泵浦信号316选择性地引导远离区域321，这些原因包括，如果需要，向输出信号319提供调制放大。
应该指出，泵浦信号315流动的方向与信息承载信号311、341和319相反。因此，无需特殊要求即可过滤出该泵浦信号同时提取信息信号319。在替代实施方案中，泵浦信号可以沿与信息承载光学信号相同的方向流动。在又一个实施方案中，从波导303两端供给泵浦信号，且泵浦信号同时沿与信息承载光学信号相同及相对的方向流动。波导303可构造成双向地承载光学信息信号，即同时自左向右和自右向左。在任一情况下，可以使用泵浦与信号束的光学隔离。
图3通过另外的示例示出了所谓的阵列波导(AWG)如何可以适用这里所公开的技术。本领域技术人员将会理解，AWG可用于频域多路复用或多路分离。多个输入波长可以被分离成分别承载供特定用户使用的信息的单个波长，或者备选地，来自不同用户的多个波长可以被组合到单个通信路径内，以进入单个光纤进行传输。相移调制器可备选地被包含在各个波导内用于另外的精细控制，后者的一个或多个相移调制器(例如，温度调制)可由集成电子器件330控制。接着可以适当地使用相移输出。
除了示意性示出的AWG 350之外，图3的底部更为通常地示出了单片器件300的富稀土部分如何可以用于提供损耗减小或增益大于一的光学和/或电光功能。由于器件300的电/光波导通道320是等厚和/或选择性地富Er和/或其它稀土元素，引导和/或其它方式处理光波穿过单片器件300富稀土元素部分320的所有光学和/或电光元件(例如AWG 350)，根据需要，可以使其信号损耗减小和/或可呈现一或一以上的增益和/或基于选择性的或连续的基础提供脉冲形状的修复(例如，如果使用拉曼模式工作)。分别基于连续的或者选择性调制的基础，使用一种或多种供给数量的适当波长的泵浦能量，可以分别泵浦各个光学和/或电光元件(例如AWG 350)的富稀土元素介质，从而提供预期的信号放大和/或修复。
在一个实施方案中，泵浦能量可包含被反向和/或正交引导的辐射能量345或其它非平行传播的辐射能量(未示出)，其中术语“非平行传播的”在此被理解为应用于例如345的任何辐射能量，其在富稀土元素的介质320(例如富Er)中的传播方向与设于器件300内相应元件(例如AWG 350)中大多数信息承载光学信号的输入至输出流向显著不同。更具体地，如果对于器件300的信息承载光学信号(例如信号311)设定自左向右流向(沿+X方向)，则对于至少大多数注入的辐射泵浦能量345而言，其在富稀土元素介质中的传播方向应该为与自左向右方向显著不同的方向。例如，如图3示例所示(其中，沿±Z轴从器件300的顶部观察该器件)，泵浦能量的传播方向可以沿自右向左的方向和/或沿上/下的方向(大致的±Y方向)。辐射泵浦能量可以备选或另外地沿大致±Z方向传播。辐射泵浦能量的内部反射路径可包含三维的之字形或旋转盘旋形(螺旋状)路径。辐射泵浦能量的这种非平行传播路径使得可以从器件300中容易地提取最终的信息输出信号，所提取的信息信号(例如319)内没有泵浦能量345的干扰或混合，或者该干扰或混合基本上很小。
集成器件300的光学或/电光元件(可以为单片集成器件)并不限于波导(例如303)和AWG(例如350)。器件300的赋予稀土元件可进一步包含：(a)空间域或波长域的其它光学信号多路分离器，例如在360示意性所示，(b)光学信号多路复用器，例如在370示意性所示(输出示成被固有地放大)，(c)光学相位调制器(未明确示出)，(d)光学信号交叉调制器(未明确示出)，(e)光栅(未示出)，(f)波长路由器(提供波分信号操纵)，(g)星形耦合器，(h)矩阵开关等等。
如果需要，可以在单片器件300的外围提供诸如在346所示示例的固定和/或可移动和/或可调镜面(例如MEM镜面)，并将其置于毗邻富稀土元素的电学/光学传导通道320。备选或另外，这种镜面可设于器件300边界的内部，例如设于暴露富稀土元素的电学/光学传导通道320的蚀刻形成的沟槽内。这些镜面可以用于使泵浦能量沿非平行传播方向来回地反弹。更具体地，内嵌镜面346被示成通常沿图3的上下方向(±Y)反射泵浦能量345，并引导反射泵浦能量回到富稀土元素的波导通道320，以改善(优化)从辐射泵浦能量信号345到被放大的信息信号(例如311)的能量传递。该放大可以是拉曼型和/或非拉曼型。备选或另外，例如在375所示的电流注入器可以分布在富稀土元素的波导通道320附近，用于提供另外的或者备选的泵浦能量。
图4为实施方案400的剖面侧视图，其中至少沿SOI结构的顶部和底部主要表面提供了反射镜面。更具体地，集成光学放大器件400包含正交泵浦的掺Er拉曼放大器(ERDA)，稍后将详细说明其结构。“400”系列中使用的相同的数字表示和“200”系列以及其后所述各图中描述的先前元件相对应的元件。集成光学器件400为具有多个金属层的多层器件。基板405被理解成由单晶硅和/或另一种光学等级的材料组成，并置于第一介电层410下方。层410由光学等级的二氧化硅和/或适当的另一种光学等级的介电材料组成。除了多晶硅或非晶硅和/或单晶硅之外，基板405可备选或另外地由其它合适的半导体(例如Ge)或半导体化合物(例如，诸如GaAs、GaAlAs、InP、InGaAs、InGaAsP的III-V族化合物，或者诸如ZnS、ZnSb的II-VI族化合物等)制成。
在图4的实施方案中，第一光学波导/电学传导通道420形成于介电层410上方。根据上文的描述，第一光学/电学通道420是富稀土元素的(例如，富Er)。该光学/电学通道420可以根据上文给出的描述而被图形化和/或其它方式构造，从而提供可能需要的各种无源和/或有源光学元件，包括AWG、其它光学多路复用器、多路分离器、空间域和波长域路由器、开关和/或电学驱动的光学相位调制器。如需要，集成电子器件(未示出)可以进一步被引入富稀土元素的电学/光学通道420以提供控制信号。在一个实施方案中，例如由III-V族半导体化合物组成的分离单片集成器件435被键合(例如倒装片键合)，或者以其它方式可工作地耦合到第一器件400的底部。可以看出，在第二器件435内制造多个电学驱动的激光二极管431、432和433，用于将泵浦能量415向上注入到第一器件400内。尽管未明确地示出，激光二极管431、432和433可由设于第一器件400内的集成电子器件(未示出，但可理解成例如由硅基电子电路组成)控制。
在第一光学/电学通道420顶部上提供了第一镜面反射(例如金属)层461，用于提供光学反射功能和/或可选的电学互连功能。至少在第一反射金属层441上方提供第二可选介电层462，用于保护金属免受化学蚀刻和/或不需要的电学接触，其中该第二可选介电层462可由二氧化硅、氮化硅和/或其它合适的材料组成。用于提供光学反射功能和/或电学互连功能的第二镜面反射(例如金属)层441设于基板405下方。在所示实施方案中，该第二镜面反射层441夹在可选的介电层440和442之间。视各个用途的情况，介电层和/或金属层440、441、442中的一个或多个可以被单片集成为器件400的一部分，或者可以被接合或以其它方式设成毗邻器件400的底部。对于第一镜面层461的可选电介质462的情形，第二镜面层441的可选介电层440、442可由适当的材料组成，并可以提供可能需要的气密封和/或电绝缘功能。在一些实施方案中，介电层440、442和/或461中的多个可以省略，或者可以提供另外的介电层(例如，介于461和富稀土元素层420之间)。
本领域技术人员可以从图4理解到，反射金属层441(底部)和461(顶部)可用做以适当角度施加的光子束的镜面。(如果需要，可以提供其它反射或折射装置，根据图示将泵浦信号三维地限制在非平行的泵浦路径内。)第一开口445设于底部镜面组合440-442中，用于允许外部产生的泵浦信号415相对于组合461-462形成的反射镜面基本上正交地但成略微倾斜的角度(例如，偏离法线0.5°至5°)进入。泵浦信号415因此如416所示以之字形方式来回反弹穿过富稀土元素的通道区域420。泵浦信号可以如418所示垂直向上地穿过顶部镜面组合461-462的开口465。
泵浦信号415在富稀土元素层420内沿基本上非平行传播方向(416)传播的同时，包含光学输入信号411的信息在信息信号输入端口402处沿平行于镜面结构的方向被供给。放大的输出信号414经信息信号输出端口404从通道420的相对端输出。由于包含信号411-414的信息以及泵浦信号415相互沿基本上非平行的方向传播，两者之间的干扰相对小并可以单独提取输出信息信号414。在所示示例中，注入的泵浦信号415被引导成沿与输入信号414方向(+X)相反的方向(-X)前进，使得放大的输出信号414可以被容易地提取，而不在输出端口404附近混杂有泵浦信号。
除了底侧泵浦端口405之外，可以另外提供顶侧泵浦端口465以用做顶部镜面结构461-462内的开口。相对于镜面结构440-442基本上正交但成略微倾斜的角度地施加外部泵浦信号417。尽管未完全示出，可以理解，外部泵浦信号417将类似于416以之字形方式，然而是沿自左向右的前进方向，曲折穿过富稀土元素的增益介质450。泵浦信号417可被定向成也沿+Y方向前进，使得泵浦信号417在远离信息信号输出端口404的位置出射或终止。
可以排列光电二极管431-433以提供适用于具体应用的不同泵浦能量和/或组合能量强度。如果需要，出射能量418可以级联到另外器件例如400中。顶侧泵浦信号417可来自这种前后串联的其它器件。泵浦能量入射/出射端口445/465可以置成使得多个器件例如400可工作地相互堆叠以共用公共泵浦能量。鉴于前述内容，图4可采用各种进一步增强的技术。示例性地，电流源475可以被一体包含在器件400，和/或可以使用诸如462的反射金属层作为电极，用于将泵浦电流注入到富稀土元素的增益层420内。通过沿所示器件400的侧边(+Y、-Y轴)提供的其它导体，可以使泵浦电流的这个或这些电路闭合。
本公开内容应被认为是说明而非限制下文权利要求中主张的主题的范围、本质或精神。许多调整和变化对于在研究本公开内容之后的本领域技术人员而言是明显易懂的，包括使用这里所描述的元件的等效功能和/或结构替代、使用这里所描述的耦合的等效功能耦合和/或使用这里所描述的步骤的等效功能步骤。这种非本质的变化被认为是落在这里所考虑的范围之内。此外，如果给出具体装置或步骤的多个示例，且这些给定示例之间和/或之外的外推鉴于本公开内容是显而易见的，则本公开内被认为有效地公开并因此覆盖至少这些外推。
专利的交叉引用(续前)
(B)美国专利6,624,927，Wong等，2003年9月23日，{简单摘要：基于光纤的具有锥形监视配置的拉曼放大器的设计}；
(C)美国专利6,624,928，Masum-Thomas等，2003年9月23日，{简单摘要：在波长小于和大于光纤水峰的双泵浦，利用拉曼散射实现放大}；
(D)美国专利6,657,777，Meli等，2003年12月2日，{简单摘要：EDFA加非线性光纤用于拉曼放大-各个波长或子带需要被放大且可以利用半导体激光器进行泵浦}；
(E)美国专利6,657,778，Motoshima，2003年12月2日，{简单摘要：和美国专利6657777相似，DEMUX加单个通道放大和MUX以形成拉曼放大-各个波长或通道需要被放大和泵浦}：
(F)美国专利6,631,028，Islam，2003年10月7日，{简单摘要：与美国专利6657777及美国专利6657778相似}；
(G)美国专利6,618,192，Islam等，2003年9月9日，{简单摘要：多个拉曼放大器串联以获得更高功率输出}；
(H)美国专利6,646,788，Islam等，2003年11月11日，{简单摘要：多个拉曼放大器堆叠在一起通过不同放大器的不同放大而获得平坦增益}；
(I)美国专利6,587,606，Evans，2003年7月1日，{简单摘要：使用特殊光纤的色散补偿再生器-同时补偿正色散和负色散以形成孤立子传播，从而控制信号形状}；
(J)美国专利6,611,369，Matsushita等，2003年8月26日，{简单摘要：增益介质为特殊光纤，为不同偏振的光产生不同的速度。信号在穿过具有增益介质的这些光纤时被放大}；
(K)美国专利6,556,339，Smith等，2003年4月29日，{简单摘要：垂直于信号光束的拉曼泵浦-固态拉曼增益介质(激光)，例如硝酸钡、钨酸钾、钨酸钙、金刚石、SiC和GaP-泵浦光束在棱镜/镜面之间多次反射以实现有效拉曼激发}；
(L)美国专利6,600,597，Beeson，2003年7月29日，{简单摘要：使用光子晶体类型(全息毛细管光纤)拉曼增益介质的EDFA型放大器-泵浦光束和信号光束沿相反方向且光栅用于隔离泵浦光束和信号光束}；
(M)美国专利6,603,595，Welch，2003年8月5日，{简单摘要：与美国专利6600597相似}；
(N)美国专利6,178,036，Yao，2001年1月23日，{简单摘要：仅用于旁带放大的基于布里渊散射的放大器}；
(O)美国专利4,394,623，Kurnit，1983年7月19日，{简单摘要：安装在环形腔内的光纤毛细管中的拉曼增益}；
(P)美国专利5,796,906，Narayanan等，1998年8月18日，{简单摘要：输入/输出具有单模而中间部分具有多模(可以为不同尺寸)的陷波滤波器可以用于增益平坦EDFA，该多模扩展到更高阶模式并在相关波长产生额外损耗}；
(Q)美国专利4,523,315，Stone，1985年6月11日，{简单摘要：使用气体(H2、O2、N2)相扩散到光纤中的拉曼增益介质}；
(R)美国专利6,603,785，Yoshida等，2003年8月5日，{简单摘要：半导体多量子阱激光器结构专利}；
(S)美国专利6,643,308，Tsukiji等，2003年11月4日，{简单摘要：在谐振器中使用衍射光栅以抑制注入电流的半导体泵浦激光器设计}；
(T)美国专利6,519,082，Ghera等，2003年2月11日，{简单摘要：用于拉曼放大器的XPU受控反馈系统}；
(U)美国专利4,575,645，Komine，1986年3月11日，{简单摘要：通过将激光分离成相干光束并使其沿不同方向穿过相同介质而产生拉曼散射和放大的单个单元}；
(V)美国专利4,913,507，Stamnitz等，1990年4月3日，{简单摘要：锥形光纤物理收缩改变光密度以产生非线性光学现象}。
相关其它公开的交叉引用
出于参考的目的，在此还引用了下述非专利公开，这些公开的各个概念也被包含在本申请中：
(A)  A.Polman等，″Incorporation of high concentrations of erbium incrystal silicon″，Applied Physics Letters，Vol.62(5)pp.507-509，2/1/1993；
(B)  W.X.Ni等，″Er/O and Er/F doping during molecular beam epitaxialgrowth of Si layers for efficient 1.54um light emission″，Applied Physics Letters，Vol.70(25)pp.3383-3385，6/23/1997；
(C)  Liu，X & Lee，B，“A fast and stable method for Raman amplifierpropagation equitions”OPTICS EXPRESS Vol.11，No.18，pp.2163-2l76(2003)；
(D)  Emori，Y & Namiki，S，“Demonstration of broadband Ramanamplifiers：a promising application of high-power pumping unit”FURUKAWAREVIEW No.19，pp.59-62(2000)；
(E)  L.H.Slooff等，“Rare-earth doped polymers for planar opticalamplifiers”，Journal of Applied Physics Vol 91(7)pp.3955-3980.April 1，2002-{注解：这是综述文献}；
(F)  A.Polman，“Erbium doped planar amplifiers”，Proc.10th EuropeanConference on Integrated Optics(ECIO)Paderborn，Germany，April，2001，p.75(2001)；以及
(G)  M.Krishnaswamy等，“Optical Properties of Polymer WaveguidesDispensed on an Erbium/Ytterbium Codoped Glass”IEEE JOURNAL OFSELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.2，NO.2，JUNE1996 pp.373-37。
保留专利之外的权利、冲突的解决以及术语的解释
在本公开内容合法公布之后，本专利申请的所有人不反对其他人出于理解本发明的公开内容以及促进有用的艺术和科学的有限目的而复制本公开内容中包含的文字和图形材料。然而本申请的所有人并不放弃与所公开材料可能存在法律关联的任何其它权利，包含但不限于，本公开内容所提供的任何计算机程序列表或原图或其它作品的版权、与本公开内容所提供的新创术语或原图相关的商标或商业外观权利、以及本公开内容中包含的其它的以其它方式受保护或可由此衍生的主题。
如果任何公开内容在此引入作为参考且这种引入的公开内容部分或整体与本公开内容冲突，则就冲突的范围、和/或范围更大的公开内容、和/或范围更大的术语定义，以本公开内容为准。如果这些引入的公开内容相互之间部分或整体冲突，则就该冲突的范围，以在后公开的公开内容为准。
除非明确地另外声明，普通术语在其表达的各自上下文中具有相应的普通含意，普通术语在相关技术领域内以及其表达的各自上下文中具有相应的正常含意。
鉴于上述公开内容的一般概念和具体实施方案，保护范围旨在由所附权利要求定义。提出的权利要求不应被认为是将申请人的权利限制于所公开的权利要求，还包括依照35 U.S.C.§120和/或35 U.S.C.§251提出的一个或多个另外申请所文字上主张的主题。

Claims (27)

1.一种单片集成器件(300、400)，包含：
(a)基板(205、405)；以及
(b)与所述基板集成的稀土掺杂半导体层(220、320、420)，其中所述稀土掺杂半导体层包含一种或多种稀土元素，且其中所述稀土掺杂半导体层被图形化以定义一个或多个光学信号放大和/或修复结构(244、303、350-370、485)，所述结构分别具有：
(b.1)用于接收各自第一光学输入信号(311、411)的至少第一光学信号端口(302、402)；和
(b.2)用于接收形式为电泵浦能量(375、475)和/或光泵浦能量(315、415)中至少一种的泵浦能量的至少一个泵浦能量接收装置(305、445)，其中接收到的泵浦能量可工作地耦合到所述稀土掺杂半导体层的一个或多个稀土元件，由此为所述第一光学输入信号提供光学信号放大和/或光学信号修复。
2.权利要求1所述的集成器件(300、400)，其中所述第一光学信号端口还可以用于输出各自第一光学输出信号(319)。
3.权利要求1所述的集成器件(300、400)，其中一个或多个所述光学信号放大和/或修复结构进一步包含：
(b.3)至少一个光学信号输出端口(304、404)，用于输出各自第一光学输出信号(319、414)。
4.权利要求1所述的集成器件(300、400)，其中对于至少一个所述光学信号放大和/或修复结构：
所述接收到的泵浦能量(345)的传播方向不平行于所述各自第一光学输出信号(341)的输出方向。
5.权利要求1所述的集成器件(300、400)，其中对于至少一个所述光学信号放大和/或修复结构：
在相应的接收到的泵浦能量为有效频率比在相应第一光学信号端口(302、402)供给的光学信号的信号频率高约一个光学声子频率的拉曼型泵浦能量，且所述至少一个泵浦能量接收装置(305、445)构造成用于接收所述拉曼型泵浦信号的情况下，发生拉曼型放大。
6.权利要求1所述的集成器件(300、400)，其中所述光学信号放大和/或修复结构包含下述至少一个：
(b.3a)肋形或脊形波导(245)；
(b.3b)阵列波导组(350)；
(b.3c)光学多路复用器(360)；
(b.3d)光学多路分离器(370)；
(b.3e)光学相位调制器；
(b.3f)光学信号交叉调制器；
(b.3g)光学光栅；
(b.3h)光学空间或波长路由器；
(b.3i)光学星形耦合器；
(b.3j)光学矩阵开关。
7.权利要求1所述的集成器件(300、400)，其中：
(b.3)稀土掺杂半导体层(220、320、420)的所述一种或多种稀土元素包含下述至少一种：
(b.3a)铒；
(b.3b)镱；和
(b.3c)钕。
8.权利要求1所述的集成器件(300、400)，其中：
(b.3)稀土掺杂半导体层(220、320、420)的所述一种或多种稀土元素包含具有适合预定应用的光子波长发射的有效浓度的一种或多种稀土元素，其中所述有效浓度提供显著的信号放大或信号修复效果。
9.权利要求7所述的集成器件(300、400)，其中：
(b.3a)所述铒被掺入稀土掺杂半导体层以定义富铒区域，该区域的铒浓度是，铒原子与基体材料中的其它原子的比例至少为10-5。
10.一种制造集成光学或电光器件的方法，包含：
(a)将一种或多种稀土元素掺入(214、221、222)集成结构的第一光学波导层(220、320、420)，从而在所述第一光学波导层内定义一个或多个光学增益介质区域；
(b)定义各自的一个或多个光学信号输入装置(302、402)，所述光学信号输入装置位于或可工作地耦合到所述富稀土第一光学波导层，用于接收相应的输入光学信号(311、411)，并用于可工作地将相应接收到的输入光学信号朝所述一个或多个光学增益介质区域传播；以及
(c)定义各自的一个或多个光学泵浦能量输入装置(305、405)，所述光学泵浦能量输入装置位于或可工作地耦合到所述富稀土第一光学波导层，用于接收相应的泵浦能量辐射并用于可工作地将相应接收到的泵浦能量辐射朝所述一个或多个光学增益介质区域传播。
11.权利要求10所述的制造方法，其中所述第一光学波导层包含第一半导体和第一介电材料中至少一个。
12.权利要求10所述的制造方法，进一步包括：
(d)定义各自的一个或多个信号输出装置(404)，所述信号输入装置位于或可工作地耦合到所述富稀土第一光学波导层，用于从所述富稀土第一光学波导层输出相应的一个或多个输出信号。
13.权利要求10所述的制造方法，其中：
(a.1)所述掺入一种或多种稀土元素包括将一种或多种待掺入的稀土元素分别注入或沉积(214)到在形成所述第一光学波导层之前形成的支持层(210)内和/或上，其中所述支持层用于支持随后形成的第一光学波导层。
14.权利要求10所述的制造方法，其中：
(a.1)所述掺入一种或多种稀土元素包含在用于形成所述第一光学波导层的沉积流体(液体或气体)中的一种或多种待掺入的稀土元素夹杂(221)。
15.权利要求10所述的制造方法，其中：
(a.1)所述掺入一种或多种稀土元素包含，在形成所述第一光学波导层之后，将一种或多种待掺入的稀土元素注入或沉积(222)到所述第一光学波导层内和/或上。
16.权利要求10所述的制造方法，其中：
(b.1)所述定义各自的一个或多个光学信号输入装置包括蚀刻或以其它方式图形化(234)所述第一光学波导层。
17.权利要求16所述的制造方法，其中：
(b.1a)所述蚀刻或以其它方式图形化(234)所述第一光学波导层包括，形成能够限制性地传播光子信号穿过所述第一光学波导层的富稀土部分的一个或多个波导。
18.一种将泵浦能量耦合(315、375、345)到平面的富稀土光学波导通道(320)的方法，其中所述通道限制性地沿分别具有通常沿第一线性方向(X)延伸的一个或多个传播路径(303)传播一个或多个光子信号(341)，所述耦合方法包括：
(a)沿非平行的方向引导至少一个辐射泵浦束(415)，在所述通道的各个区域与所述一个或多个光子信号(341)的一个或多个相应传播路径以非平行的方式交叉，所述通道充分地富稀土以对所述一个或多个穿过的光子信号提供放大效果和波形修复效果中的至少一个。
19.权利要求18所述的耦合方法，进一步包含：
(b)反射(346、441、461)所述被引导的至少一个辐射泵浦束(415)，使得所述反射泵浦束在所述通道的各个区域与所述一个或多个光子信号(341)的所述一个或多个相应传播路径交叉多于一次，所述通道充分地富稀土以对所述一个或多个穿过的光子信号提供放大效果和波形修复效果中的至少一个。
20.权利要求19所述的耦合方法，其中所述反射赋予所述至少一个辐射泵浦束非平行的之字形路径(416)。
21.权利要求19所述的耦合方法，其中所述反射导致所述至少一个辐射泵浦束遵从三维螺旋状路径。
22.将一种或多种稀土元素掺入基本上为平面的光学波导通道(220)内的方法，其中所述通道主要由诸如半导体的无机基体材料组成，所述方法包括：
(a)将接合剂(氧)引入到所述光学波导通道的基体材料(硅)内，其中所述接合剂可以在所述基体材料的原子与至少一个所述一种或多种稀土元素之间形成接合络合物。
23.权利要求22所述的掺入方法，其中所述接合剂包括氧、氮、硫和氟中至少一种。
24.权利要求22所述的掺入方法，其中所述接合剂作为包括至少一种所述掺入的一种或多种稀土元素的化合物(Er2O3)的一部分而被引入。
25.权利要求22所述的掺入方法，进一步包括：
(b)由非晶层俘获所述一种或多种稀土元素中至少一种。
26.权利要求25所述的掺入方法，其中所述非晶层选自由非晶硅、非晶氧化硅、非晶氮化硅和非晶氮氧化硅组成的组。
27.权利要求22所述的掺入方法，其中：
(a.1)所述被引入的接合剂和相应的一种或多种掺入的稀土元素在引导光波(250)的预计的芯强度水平(252)处具有相对升高的浓度(225)。
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