近日，上海交通大学陈险峰教授和陈玉萍教授团队，提出了一种基于逆向设计的新的掺铒铌酸锂集成光波导放大器的增益增强策略，使放大器的内部净增益提高约17.3 dB。上述片上掺铒铌酸锂波导放大器的长度仅3.6 cm，在1531.6 nm波导端产生的内部净增益为40.5 dB。该工作以“Erbium-doped lithium niobate waveguide amplifier enhanced by an inverse-designed on-chip reflector”为题，发表在《Optics Letters》杂志。论文第一作者为上海交通大学博士毕业生魏志伟博士和吴江威博士。通讯作者为陈玉萍教授，陈险峰教授为论文工作提供了重要的指导。
作为现代通信基础设施的基石，掺铒光纤放大器（EDFA）自20世纪80年代末发明以来，一直是大容量、长距离数据传输必不可少的器件。铒离子独特的光学性质，特别是其稳定的能级跃迁结构和长的激发态寿命，十分有利于在传统的电信C波段实现宽谱增益。这使得EDFA特别适合在高比特率下放大多个波长。掺铒光纤的发展促使研究人员进一步探索将铒离子集成到其他的波导平台，片上掺铒波导放大器（EDWA）应运而生。多年来，为了实现高效片上EDWA，研究者们探索了各种基质材料，包括玻璃、铌酸锂、Al2O3和Si3N4等等。在这些材料中，薄膜铌酸锂（TFLN）由于其特殊的光学特性（包括高折射率、宽的透明范围以及强的电光、声光和非线性光学响应）而成为集成光子学中的明星材料。作为集成光子系统中的关键组成部分，掺铒TFLN波导放大器近年来被广泛研究。
随着放大器组件设计的逐渐优化，目前的TFLN波导放大器已经逐渐进入到性能提升的瓶颈期。为了突破这一瓶颈，本团队提出了一种新的掺铒TFLN光波导放大器的增益增强策略，在放大器波导的末端引入一个逆向设计的片上反射器，与无反射器的放大器相比，可以使放大器的内部净增益提高约17.3 dB，最终在长度为3.6 cm的波导端获得净内增益为40.5 dB。在不具有反射器的情况下，当泵浦光沿着波导放大器传播时，泵浦光的强度由于损耗而降低，这降低了信号光的放大效果。而在波导尾端添加一个反射器则可以实现类似双向泵浦的效果，双向泵浦两端的泵浦强度分布高，中间的泵浦强度分布低。与前向和后向泵浦相比，双向泵浦可以提供更佳的放大效果。
为了达到优异的双向泵浦效果，团队采用逆向设计的方法进一步提高反射器的反射率。相比于传统正向设计对应的周期性排列的空气孔，逆向设计随机化每个空气孔的位置和尺寸，并采用遗传算法最大化反射率目标函数R。对于一个10μm长的反射器，在1531.6 nm处，逆向设计反射镜的反射率为0.49，无逆向设计反射镜的反射率为0.43，逆向设计后反射率提高了14%。经逆向设计后的反射率具有优异的制造公差。在1520 nm-1540 nm波长范围内，如下图所示。逆向设计反射镜的反射性能得到了不俗提升。
图一 有无逆向设计的反射器的掺铒TFLN波导放大器装置示意图（左）
图二 小信号下片上净增益随输入功率的变化，以及有无反射器的净内增益放大对比（右）
最终，在片上输入泵浦功率为16.7 dBm，片上输入信号功率为-42.9 dBm的情况下，具有反射器的片上输出信号功率为-12.8 dBm，而不具有反射器的片上输出信号功率为-23.9 dBm。在小信号放大条件下，具有反射器的放大器的输出信号功率比不具有反射器的放大器的输出信号功率大11.1dB（12.9倍）；同时具有反射镜的放大器的内部净增益可达40.5dB，而不具有反射镜的放大器的内部净增益为23.2dB。与不具有反射镜的放大器相比，具有反射镜的放大器的内部净增益提高了17.3dB（增加53.7倍）。
本研究通过逆向设计成功地实现了一个高增益掺铒TFLN片上光波导放大器。论文工作为高增益、低复杂度的集成放大器的研制提供了参考，有助于光通信和片上光子系统的发展。
此外，通过智能算法的逆向设计，我们还在薄膜铌酸锂上实现了宽带高效超表面耦合器。通过逆向设计，1460/1550 nm的耦合效率为77%/83%，3-dB带宽为300 nm，1-dB带宽为138 nm，最大耦合效率为90%。相关研究结果发表在J. Opt. Soc. Am. B上，并被Optica Publishing Group选为“Spotlight on Optics”。https://opg.optica.org/spotlight/summary.cfm?id=568192
同时，本团队总结了基于逆向设计的薄膜铌酸锂光子器件的研究进展。该综述旨在为基于逆向设计的高性能、多功能薄膜铌酸锂光子器件的集成化深入研究提供参考，为相关领域的研究人员提供全面的技术背景和研究思路，从而推动逆向设计在薄膜铌酸锂光子器件设计及性能优化中的应用。相关研究内容以“基于逆向设计的薄膜铌酸锂光子器件研究进展”为题发表在《宁夏大学学报（自然科学版中英文）》期刊上。
文章信息：
1.Zhiwei Wei, Jiangwei Wu, Chengyu Chen, Hao Li, Wenjie Wan, Xianfeng Chen, and Yuping Chen*, Erbium-doped lithium niobate waveguide amplifier enhanced by an inverse-designed on-chip reflector, Opt. Lett. 50(11), 3624-3627 (2025)。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.561831
2.魏志伟，吴江威，陈承渝，陈险峰，陈玉萍*，基于逆向设计的薄膜铌酸锂光子器件研究进展，宁夏大学学报（自然科学版中英文），46(2),(2025)。
论文链接DOI:10.20176/j.cnki.nxdz.000115
3.Zhiwei Wei, Jiangwei Wu, Chengyu Chen, Wenjie Wan, Yuping Chen*, and Xianfeng Chen,Inverse-designed broadband meta-coupler with high efficiency on thin-film lithium niobate, J. Opt. Soc. Am. B, 42, 597-602 (2025) “Spotlight on Optics”by OPTICA.
论文链接：https://doi.org/10.1364/JOSAB.545358
撰稿|课题组
