Epitaxial single-crystal rare-earth oxide in horizontal slot waveguide for silicon-based integrated active photonic devices

材料科学 光学 光电子学 外延 波导管 光子晶体 光子集成电路 折射率 纳米技术 物理 图层(电子)
作者
Xuejun Xu,Viviana Fili,Wojciech Szuba,Masaya Hiraishi,Tomohiro Inaba,Takehiko Tawara,Hiroo Omi,Hideki Gotoh
出处
期刊:Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:28 (10): 14448-14448 被引量:12
标识
DOI:10.1364/oe.389765
摘要

We have epitaxially grown high-quality single-crystal rare-earth oxide thin films, including Gd2O3 and erbium-incorporated (ErGd)2O3, on silicon-on-insulator substrate, and investigated their optical properties when embedded in horizontal slot waveguides. (ErGd)2O3 with an erbium concentration in the mid-1021 cm-3 range shows well-resolved Stark-split photoluminescence emission peaks in the telecommunications band and a photoluminescence lifetime-concentration product as large as 2.67×1018 s·cm-3 at room-temperature. Using these materials, horizontal slot waveguides with strong optical confinement in low-refractive-index rare-earth oxide layers, have been fabricated for silicon-based integrated active photonic devices. Thanks to the strong light-matter interaction, a large waveguide modal absorption of 88 dB/cm related to erbium ions is achieved, leading to a large potential optical gain. Intense emissions from the waveguides are also observed, with a radiation efficiency on the order of 10-4. These results indicate that a combination of epitaxial rare-earth oxide thin films and horizontal slot waveguides provides a promising platform for light amplification and generation on silicon.
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