基于鈮酸鋰薄膜的激光器/放大器

  “如果電子革命的中心是以硅材料命名的，那么光子學(xué)革命的發(fā)源地則很可能就是以鈮酸鋰命名了”，作為我國新材料和光芯片的彎道超車的關(guān)鍵要素，被稱作“光學(xué)硅”材料的鈮酸鋰晶體成為了光子時代的頂梁柱，為集成光子學(xué)的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎(chǔ)支撐。鈮酸鋰具有非常優(yōu)異的光電特性，作為一種集成光子平臺受到了廣泛的關(guān)注，在此基礎(chǔ)上，各種功能光子器件，如電光調(diào)制器和非線性波長轉(zhuǎn)換器已被證明具有令人矚目的性能。作為集成光子系統(tǒng)的重要組成部分，基于鈮酸鋰薄膜的激光器和放大器研發(fā)也取得了一系列振奮人心的突破與進展。

圖1 硅材料和鈮酸鋰引領(lǐng)的科學(xué)應(yīng)用變革

  近日，南開大學(xué)薄方教授課題組在 Advanced Photonics 2023年第3期發(fā)表了題為“Advances in lithium niobate thin film lasers and amplifiers”的綜述文章，具體介紹了基于稀土離子摻雜鈮酸鋰薄膜的光泵浦激光器和放大器的研究進展;總結(jié)了電泵浦激光器和放大器集成在鈮酸鋰薄膜上的實現(xiàn)方案和研究進展;分析了基于絕緣體上的鈮酸鋰(LNOI)平臺的光泵浦和電泵浦光源的優(yōu)缺點;此外還討論了基于LNOI集成 III-V增益材料的電泵浦激光器和放大器的應(yīng)用前景。研究結(jié)果為促進基于鈮酸鋰薄膜的片上集成光路研究及產(chǎn)業(yè)化提供了參考。

圖2 基于LNOI的光源和放大器研究領(lǐng)域

  基于稀土離子摻雜LNOI的光泵浦激光器和放大器

  如圖3所示，作者團隊總結(jié)了將稀土離子摻雜到鈮酸鋰晶體中的具體方案，包括：(1)晶體生長摻雜法：在采用chzochralski法生長鈮酸鋰晶體時，加入稀土離子氧化物實現(xiàn)摻雜;(2)熱擴散摻雜法：利用真空沉積制備稀土離子層后，通過高溫擴散實現(xiàn)選擇性摻雜;(3)離子注入摻雜法：通過離子注入法在鈮酸鋰晶體中摻雜稀土離子。文章還總結(jié)了不同方案的優(yōu)缺點，分析結(jié)果為不同應(yīng)用中基于稀土離子摻雜LNOI的光泵浦激光器和放大器研發(fā)提供了個性化設(shè)計指導(dǎo);此外還介紹了表征微激光器的重要參數(shù)，并總結(jié)了提高激光器輸出功率的具體方法。

圖3 稀土離子摻雜鈮酸鋰晶體的方法及其對應(yīng)的濃度分布示意圖

  集成在LNOI上的電泵浦III-V族激光器和放大器

  如圖4所示，LNOI與III-V族增益材料的集成方式可歸類為以下三種：(1)混合集成技術(shù)作為目前最成熟的集成方法之一，能夠在封裝階段將III-V族半導(dǎo)體器件和無源集成光子學(xué)器件等芯片組裝成一個多功能器件，由于該方案在集成前能夠單獨對離散器件進行測試和優(yōu)化，因此集成器件產(chǎn)品的良率較高，目前該技術(shù)的效率問題制約了其產(chǎn)業(yè)化進程;(2)異質(zhì)集成技術(shù)主要通過將III-V族晶圓或晶片粘接在已加工的基片頂部，再將未加工的III-V族材料，通過晶圓級蝕刻工藝制成如激光器或放大器陣列等III-V增益器件，盡管異質(zhì)集成技術(shù)的效率較高，但由于工藝過程中無法對III-V族器件進行檢測，因此集成器件的良率較低;(3)微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)同時具有混合和異質(zhì)集成技術(shù)的優(yōu)點，該技術(shù)不僅可以對集成前的III-V器件進行預(yù)測試，還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模并行集成，但對于耦合過渡過程的對準(zhǔn)精度要求較高。

圖4 電泵浦集成光子增益器件的集成方案示意圖

  基于LONI的光泵浦和電泵浦光源優(yōu)缺點對比

  基于稀土離子摻雜LONI的光泵浦光源主要采用了具有較長的激發(fā)態(tài)壽命和較小的折射率變化的稀土離子摻雜LNOI材料，因此制備得到的激光器和放大器具有較高的溫度穩(wěn)定性、較低的噪聲系數(shù)和較窄的激光線寬;然而采用稀土離子摻雜LNOI材料制備的激光器和放大器，其輸出功率仍然處于較低水平(μW級)，因此極大地限制了其在孤子梳等領(lǐng)域中的實用性。

  集成LNOI與III-V族增益介質(zhì)的電泵浦光源具有輸出功率高、寬帶可調(diào)、操作方便等特點，但當(dāng)前的各種集成方案中也存在技術(shù)瓶頸。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，基于稀土離子摻雜LNOI制備的激光器和放大器更適合片上相干通信、量子光學(xué)等相關(guān)應(yīng)用，并且具有可擴展、低成本和能夠批量生產(chǎn)等優(yōu)點;而集成LNOI與III-V族增益介質(zhì)的電泵浦光源則更適用于遠程通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)等領(lǐng)域。

  鈮酸鋰引領(lǐng)未來片上集成光路變革

  在全球經(jīng)濟數(shù)字化浪潮的帶動下，智慧城市、數(shù)據(jù)中心的建立與算力、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、光模塊的研發(fā)和生產(chǎn)息息相關(guān)，因此光子芯片的升級制造迫在眉睫。鈮酸鋰材料作為“光子革命”的中流砥柱，可用于實現(xiàn)制備集成激光器、放大器、變頻器、電光調(diào)制器、光電探測器等關(guān)鍵光子器件，因此有利于促進光通信、激光雷達、粒子傳感、信息處理等領(lǐng)域的飛速發(fā)展。相信在未來，更多種類的高集成、多功能LNOI芯片將邁向產(chǎn)業(yè)化，片上集成光路領(lǐng)域也將在數(shù)字經(jīng)濟時代迎來“新春天”。