放大器辅助的高效掺铒薄膜铌酸锂激光器- 大数跨境

首页

放大器辅助的高效掺铒薄膜铌酸锂激光器

两江科技评论

2024-05-24

导读：近日，上海交通大学物理与天文学院的陈险峰教授和陈玉萍教授团队在掺铒薄膜铌酸锂上实现了一种放大器辅助的掺铒薄膜铌酸锂激光器，通过对泵浦激光的再次利用，提高了激光器的斜率效率。

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

撰稿|由课题组供稿

导读

近日，上海交通大学物理与天文学院的陈险峰教授和陈玉萍教授团队在掺铒薄膜铌酸锂上实现了一种放大器辅助的掺铒薄膜铌酸锂激光器，通过对泵浦激光的再次利用，提高了激光器的斜率效率。

相关研究成果以“Efficient Integrated Amplifier-Assisted Laser on Erbium-Doped Lithium Niobate”为题，于2024年4月18日发表在ACS Photonics上。

研究背景

光源是片上光学系统中不可缺少的组成部分。与混合集成或异质集成激光器相比，单片集成激光器具有可大规模制造、低耦合损耗、测试复杂度低等优点，更适合高密度光子集成回路。近几年来，关于稀土离子掺杂薄膜铌酸锂的研究成为热点，在经典器件和量子应用领域上都有许多研究成果。然而，低输出功率和有限的量子发射效率是将基于该平台的芯片级光源和放大器投入应用的主要阻碍。

研究亮点

该课题组提出了一种由放大器辅助的高效掺铒薄膜铌酸锂激光器（IAL），并进行了实验制备。IAL的结构如图1（a）所示。当泵浦激光通过端面耦合器输入到波导中并耦合到微盘谐振腔中时，由于回音壁模式(WGM)腔内光与物质相互作用的增强，腔中的铒离子将被激发到更高的能级。经过快速的非辐射跃迁，铒离子将发射通信波段的激光。当产生的激光与剩余泵浦激光耦合出微腔并沿螺旋波导放大器传播时，泵浦激光将激发波导中的铒离子并形成粒子数反转。信号激光将被放大，使泵浦激光的能量进一步转移到信号激光中。课题组分别向IAL输入不可调与可调谐的泵浦激光得到了如图2、3展示的系列结果。得到的激光器斜率效率为0.43%，激光线宽为47.86 kHz。激光的最大片上输出功率为7.989μW。

图1 IAL的概念和结构。(a) IAL示意图。(b) 被泵浦的IAL显微图像。(c−e)扫描电子显微图像；放大图为端面耦合器和螺旋波导。

图2 IAL在不可调泵浦输入时的性能。在不可调谐泵浦下，激光器在1531.6 nm处的发射功率(a)和光谱(b)。(c)微盘激光器与IAL的发射功率比较；插图展示了激光阈值。(d)泵浦为17.98 mW时微盘激光器与IAL的激光峰值比较。(e)在50℃时，IAL在1531.6 nm处的发射功率。(f)不同温度(40 ~ 70℃)下激光峰的波长漂移。1530 nm (g)和1562 nm (h)附近的激光模式随温度从20℃升高到70℃的演变。

图3 IAL在可调泵浦输入时的性能。(a)激光功率与可调泵浦功率的关系。(b)可调泵浦输入时IAL的发射光谱。(c)信号激光的线宽。(d) 1530.56 nm附近的测量模式的洛伦兹拟合，负载Q 因子为5.59 × 10⁵。

总结与展望

IAL展现出了较为全面且优异的性能，同时，器件具备热调谐功能，且可进行单模激光发射。简而言之，该论文工作展示了一种在不改变材料固有量子发射效率的情况下提高效率的方案，这种结构的单片集成特征，使其有望与光通信、量子存储和量子发射等应用相结合。

论文的第一作者为上海交通大学物理与天文学院博士生吴江威，博士颜雄硕，通讯作者为上海交通大学陈玉萍教授，论文合作者为上海交通大学陈险峰教授。该工作得到陈险峰教授和中国科大董春华教授的悉心指导和大力帮助；获得了国家自然科学基金重点项目、上海交通大学“重点前瞻布局基金” 项目、上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的大力支持，在此深表感谢。

论文引用和链接：Jiangwei Wu, Xiongshuo Yan, Xueyi Wang, Tingge Yuan, Chengyu Chen, Hao Li, Yuping Chen, and Xianfeng Chen，ACS Photonics 2024 11 (5), 2114-2122

DOI: 10.1021/acsphotonics.4c00391

文章链接：