基于铌酸锂薄膜的激光器/放大器

  “如果电子革命的中心是以硅材料命名的，那么光子学革命的发源地则很可能就是以铌酸锂命名了”，作为我国新材料和光芯片的弯道超车的关键要素，被称作“光学硅”材料的铌酸锂晶体成为了光子时代的顶梁柱，为集成光子学的发展提供战略性基础支撑。铌酸锂具有非常优异的光电特性，作为一种集成光子平台受到了广泛的关注，在此基础上，各种功能光子器件，如电光调制器和非线性波长转换器已被证明具有令人瞩目的性能。作为集成光子系统的重要组成部分，基于铌酸锂薄膜的激光器和放大器研发也取得了一系列振奋人心的突破与进展。

图1 硅材料和铌酸锂引领的科学应用变革

  近日，南开大学薄方教授课题组在 Advanced Photonics 2023年第3期发表了题为“Advances in lithium niobate thin film lasers and amplifiers”的综述文章，具体介绍了基于稀土离子掺杂铌酸锂薄膜的光泵浦激光器和放大器的研究进展;总结了电泵浦激光器和放大器集成在铌酸锂薄膜上的实现方案和研究进展;分析了基于绝缘体上的铌酸锂(LNOI)平台的光泵浦和电泵浦光源的优缺点;此外还讨论了基于LNOI集成 III-V增益材料的电泵浦激光器和放大器的应用前景。研究结果为促进基于铌酸锂薄膜的片上集成光路研究及产业化提供了参考。

图2 基于LNOI的光源和放大器研究领域

  基于稀土离子掺杂LNOI的光泵浦激光器和放大器

  如图3所示，作者团队总结了将稀土离子掺杂到铌酸锂晶体中的具体方案，包括：(1)晶体生长掺杂法：在采用chzochralski法生长铌酸锂晶体时，加入稀土离子氧化物实现掺杂;(2)热扩散掺杂法：利用真空沉积制备稀土离子层后，通过高温扩散实现选择性掺杂;(3)离子注入掺杂法：通过离子注入法在铌酸锂晶体中掺杂稀土离子。文章还总结了不同方案的优缺点，分析结果为不同应用中基于稀土离子掺杂LNOI的光泵浦激光器和放大器研发提供了个性化设计指导;此外还介绍了表征微激光器的重要参数，并总结了提高激光器输出功率的具体方法。

图3 稀土离子掺杂铌酸锂晶体的方法及其对应的浓度分布示意图

  集成在LNOI上的电泵浦III-V族激光器和放大器

  如图4所示，LNOI与III-V族增益材料的集成方式可归类为以下三种：(1)混合集成技术作为目前最成熟的集成方法之一，能够在封装阶段将III-V族半导体器件和无源集成光子学器件等芯片组装成一个多功能器件，由于该方案在集成前能够单独对离散器件进行测试和优化，因此集成器件产品的良率较高，目前该技术的效率问题制约了其产业化进程;(2)异质集成技术主要通过将III-V族晶圆或晶片粘接在已加工的基片顶部，再将未加工的III-V族材料，通过晶圆级蚀刻工艺制成如激光器或放大器阵列等III-V增益器件，尽管异质集成技术的效率较高，但由于工艺过程中无法对III-V族器件进行检测，因此集成器件的良率较低;(3)微转移印刷技术同时具有混合和异质集成技术的优点，该技术不仅可以对集成前的III-V器件进行预测试，还能够实现大规模并行集成，但对于耦合过渡过程的对准精度要求较高。

图4 电泵浦集成光子增益器件的集成方案示意图

  基于LONI的光泵浦和电泵浦光源优缺点对比

  基于稀土离子掺杂LONI的光泵浦光源主要采用了具有较长的激发态寿命和较小的折射率变化的稀土离子掺杂LNOI材料，因此制备得到的激光器和放大器具有较高的温度稳定性、较低的噪声系数和较窄的激光线宽;然而采用稀土离子掺杂LNOI材料制备的激光器和放大器，其输出功率仍然处于较低水平(μW级)，因此极大地限制了其在孤子梳等领域中的实用性。

  集成LNOI与III-V族增益介质的电泵浦光源具有输出功率高、宽带可调、操作方便等特点，但当前的各种集成方案中也存在技术瓶颈。在当前的技术条件下，基于稀土离子掺杂LNOI制备的激光器和放大器更适合片上相干通信、量子光学等相关应用，并且具有可扩展、低成本和能够批量生产等优点;而集成LNOI与III-V族增益介质的电泵浦光源则更适用于远程通信网络、数据中心光互联等领域。

  铌酸锂引领未来片上集成光路变革

  在全球经济数字化浪潮的带动下，智慧城市、数据中心的建立与算力、网络设备、光模块的研发和生产息息相关，因此光子芯片的升级制造迫在眉睫。铌酸锂材料作为“光子革命”的中流砥柱，可用于实现制备集成激光器、放大器、变频器、电光调制器、光电探测器等关键光子器件，因此有利于促进光通信、激光雷达、粒子传感、信息处理等领域的飞速发展。相信在未来，更多种类的高集成、多功能LNOI芯片将迈向产业化，片上集成光路领域也将在数字经济时代迎来“新春天”。