High-gain waveguide amplifiers in Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub> technology via double-layer monolithic integration
Jinfeng Mu, Meindert Dijkstra, Jeroen P. Korterik, Herman L. Offerhaus, Sonia M. García‐Blanco
Abstract
Silicon nitride <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m1"> <mml:mrow> <mml:mo stretchy="false">(</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Si</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo stretchy="false">)</mml:mo> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>on</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>SiO</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> attracts increasing interest in integrated photonics owing to its low propagation loss and wide transparency window, extending from <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m2"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">∼</mml:mo> <mml:mn>400</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>nm</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> to 2350 nm. Scalable integration of active devices such as amplifiers and lasers on the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m3"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>Si</mml:mi> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> platform will enable applications requiring optical gain and a much-needed alternative to hybrid integration, which suffers from high cost and lack of high-volume manufacturability. We demonstrate a high-gain optical amplifier in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m4"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>Al</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> <mml:mtext>:</mml:mtext> <mml:msup> <mml:mi>Er</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> monolithically integrated on the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m5"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>Si</mml:mi> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> platform using a double photonic layer approach. The device exhibits a net <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m6"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Si</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:mi>to</mml:mi> <mml:mtext>-</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Si</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> gain of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m7"> <mml:mrow> <mml:mn>18.1</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.9</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>dB</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> at 1532 nm, and a broadband gain operation over 70 nm covering wavelengths in the S-, C- and L-bands. This work shows that rare-earth-ion-doped materials and in particular, rare-earth-ion-doped <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m8"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>Al</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , can provide very high net amplification for the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m9"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>Si</mml:mi> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> platform, paving the way to the development of different active devices monolithically integrated in this passive platform.