近年来,随着微纳加工技术的日益成熟,硅基光电子也得到了快速发展。相比以电子为信息载体的集成电路,以光子为信息载体的集成芯片具有能耗低、串扰小、信息传输速度快等优点。硅基光电子集成需要众多的器件,如硅基光源、波导放大器、调制解调器、分束器等。作为硅基光电子芯片中一个必不可少的器件,掺铒波导放大器能够补偿其他器件产生的损耗,如插入损耗、传输损耗、耦合损耗等。　　但是,相比其他器件的快速发展,如调制解调器等,掺铒波导放大器在过去的二十年间进展缓慢,这是因为铒离子在固体中的低溶解度以及换上转对光放大的负面影响。相比传统掺铒光纤放大器动辄几米到几十米的长度,硅基集成光电子要求掺铒波导放大器在微纳米量级提供相对较大的光放大。单位长度增益高意味着铒掺杂浓度高。但是,由于铒在固体中的低溶解度问题,过去的研究中最高的铒掺杂浓度在1020cm-3量级。除了浓度问题,波导放大器中的上转换也是不可回避的一个问题,它直接影响到能否在铒离子的工作能级上实现粒子数反转。　　近几年,铒硅酸盐材料引起了研究者们的注意。该材料是一种化合物(Er2SiO5或Er2Si2O7),具有固定的组分,因此,铒离子在该材料中不存在固体溶解度问题。铒硅酸盐材料理论上可以实现的最高铒离子浓度达1022 cm-3。过去几年对铒硅酸盐的研究主要集中在材料性能方面,如晶体结构、光致发光特性等。如何利用铒硅酸盐材料高铒离子浓度的特点,制作硅基集成有源器件(如光源和波导放大器)成为研究者们关注的下一个问题。本论文的研究目的是制作基于该材料的波导,并研究其光放大和上转换性质。　　在本论文的研究中,进行了基于铒/镱(Er/Yb)硅酸盐材料的条形加载波导光放大的研究工作。实验中首先溅射制作350 nm厚的有源材料薄膜,随后沉积SiO2薄膜。经过光刻、刻蚀等工艺,制作了宽2.4μm的二氧化硅条形加载波导。通过1476 nm泵浦激光器的激发,在7.8 mm长的波导中观测到5.5 Db的信号增强。除此之外,在实验中观测到沿波导的红色上转换散射光。在分析其物理机理后,提出镱离子间接参与的能量转移上转换的物理机制。　　本论文中,制作了基于沟道(slot)结构的有源波导。自2004年M.Lipson等人提出该结构以来,有众多的基于沟道结构无源器件的研究工作。在该结构中,电场集中在较小的低折射率区域,这种凝聚作用能够增强该区域内光和物质的相互作用,因此该结构在有源器件方面有更大的应用前景。虽然有研究者做理论模拟和铒离子在沟道区域光致发光方面的研究工作,但器件方面的研究工作进展甚微。到目前为止,没有真正的基于沟道结构的激光器或者放大器。在本论文研究中,将铒/镱硅酸盐材料放入沟道区域。实验上克服了硅中的缺陷对光致发光和光放大的影响,在1476 nm激光器的泵浦下,观测到1.7dB的信号增强。　　本论文进行了表面等离子体激元(SPP)波导放大器的研究工作。首先提出一种超小的混合型SPP波导结构,其能将光在两维方向上限制在几十纳米的空间内,并实现沿金属波导的长距离传输。其后研究了该波导结构的电场和能量密度增强效应,指出这种结构能够用于SPP波导放大器。在实验上,加工了该结构的SPP波导,其低折射率区域材料为Er/Yb硅酸盐材料。通过一个简单的黑白CCD,观测到光沿4.5 mm长SPP波导的传播,并在实验上测出20 dB/cm的传输损耗和2.2 dB/cm的信号增强。　　本论文在波导中观测到镱离子直接参与的能量转移上转换过程,这和之前报道的合作上转换和激发态等起主导作用的上转换机制明显不同。由于共有的980nm共振能级,镱离子对铒离子的敏化作用在掺铒光纤放大器中得到了广泛的应用。在高铒、镱浓度硅酸盐材料的光致发光研究中,认为这种敏化作用会改善波导的放大性能,辅助实现高增益。在本论文的研究中,证明在高铒、镱浓度和大镱/铒比率的情况下,这种敏化作用会使镱离子快速的消耗泵浦光子,然后参加铒离子的高阶上转换过程,阻止泵浦光在波导中的传播,对光放大起到负作用。在实验中还观测到上转换发光强度竞争,并基于中间能级的损耗机制竞争给出其具体的物理解释。　　本论文在不改变铒离子浓度的情况下,采用镱离子部分抑制了铒离子上转换,并对其物理过程进行探索,提出以铒离子到镱离子能量倒转移为基础的上转换抑制机制。在波导放大器中,上转换是影响铒离子基态和第一激发态之间能否实现粒子数反转并进而实现光增益的一个重要的负面过程。在过去的研究中,为了减弱上转换,一般采取降低铒离子浓度的方法,但这也会降低可能实现的增益。在本文的研究中,制作了Er/Yb和Er/Y波导,不改变铒离子浓度的情况下,在相同功率1476 nm激光器泵浦下,实验测试到Er/Yb波导的可见发光弱了4.7倍,而红外发光增强了4倍。经过对其物理过程进行分析,发现从铒离子到镱离子的能量倒转移稀释了处于铒离子第二激发态的粒子浓度,从而抑制了基于该能级的二阶合作上转换过程。　　总之,本论文主要取得了如下创新成果:　　1、用铒/镱硅酸盐材料制作了条形加载波导放大器,实现光放大。并就观测到的红色上转换发光,提出了Yb离子间接参与的能量转移上转换机制。　　2、制作了有源沟道波导放大器,并观测到光放大,并指出硅中缺陷是阻止沟道波导中实现光放大的重要因素。　　3、提出超小混合型SPP波导结构,其能将光在两维方向上限制在深亚波长区域,并实现长距离传输。实验上加工了基于Er/Yb材料的混合型SPP波导,测试到低传输损耗和信号增强。采用黑白CCD观测到光沿SPP波导的传输。　　4、在波导中观测到Yb直接参与的能量转移上转换。并指出在高铒、镱浓度和大Yb/Er比率的情况下,Yb对Er的敏化作用对光放大起到负面作用。同时观测到可见上转换发光强度竞争,并给出以中间能级衰减机制竞争为基础的物理机制。　　5、在不改变铒离子浓度的情况下,实现上转换发光减弱,红外发光变强,并提出以Er离子到Yb离子能量倒转移为基础的上转换抑制机制。