前沿| 华东师范大学程亚教授课题组Laser Photonics Reviews：片上集成的掺铒铌酸锂波导放大器

摘要：华东师范大学程亚教授课题组利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术在掺铒铌酸锂薄膜上制备出片上集成的光波导放大器，1530 nm的信号光在3.6 cm长的掺铒铌酸锂波导里实现18 dB的净增益，波导放大器可以直接应用到光子芯片上对光信号进行中继放大，这项工作将有利于实现光子回路的大规模集成。

关键词：掺铒铌酸锂，光波导放大器，片上集成，增益。

铌酸锂晶体具有诸如宽的光学透明窗口（0.35-5 μm）、高的非线性系数（d₃₃=-27.2 ± 2.7 pm/V@λ=1.064 μm）、高的折射率（~2.2）和大的电光效应（r₃₃=30.9 pm/V@λ=632.8 nm）等一系列优点，又得益于绝缘体上铌酸锂薄膜(thin film lithium niobate on insulator, LNOI)的产业化，使其已经成为光子芯片衬底材料的重要候选者，因此被称为“光子学中的硅”（silicon of photonics）。近十几年来，基于铌酸锂薄膜的无源光子元件的设计和制造取得了重大进展，已经应用到非线性光学、高速电光信号转化、量子信息和精密测量等领域。值得关注的是最近一年内在掺铒铌酸锂薄膜上已经制备出基于微谐振腔的片上微型激光器，初步显示出在铌酸锂薄膜平台上实现高性能可扩展光源的潜力。然而，基于铌酸锂薄膜的片上波导放大器还尚无报道。

华东师范大学程亚教授课题组利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术成功在Z切600 nm厚的掺铒铌酸锂薄膜上制备出3.6 cm长的光波导放大器，1530 nm的信号光在掺铒铌酸锂波导里实现18 dB的净增益，相关结果发表在Laser & Photonics Reviews 上。

制备完成的掺铒铌酸锂波导为螺旋线结构，总长3.6 cm。我们这里采用双向泵浦的方式对掺铒铌酸锂波导放大器的增益效果进行表征，使用的泵浦光源为波长980 nm的半导体激光器，信号光源为波长1520 nm- 1570 nm 的可调谐激光器。首先我们需要测得泵浦光和信号光在掺铒铌酸锂波导进行传输产生的损耗，利用在回音壁模式掺铒铌酸锂微环腔测得的品质因子推算出掺铒铌酸锂波导在C波段的传输损耗约为0.16 dB/cm。使用泵浦激光对掺铒铌酸锂波导进行泵浦时，铒离子会上转换产生的绿色荧光，通过对掺铒波导不同位置的绿色荧光进行采集和拟合获得泵浦激光的传输损耗约为 6.77 dB/cm。我们在波长1530 nm和1550 nm的信号光进行增益表征分别获得18 dB和8 dB的净增益，通过观察增益曲线发现当信号光功率不变时只增加泵浦光功率时增益会趋向饱和，同样当泵浦光功率固定时只增加信号光功率增益曲线也会趋向饱和。我们继续测量了在固定泵浦光功率时不同波长的信号光增益曲线发现曲线形状和信号光荧光光谱基本拟合。除此之外，我们还测量了掺铒铌酸锂波导放大器的增益偏振依赖性，通过测试信号光和泵浦光在掺铒铌酸锂波导的不同偏振发现只有在信号光与泵浦光在掺铒波导内都是TE模式时产生的增益最大。

本文第一作者为华东师范大学的博士研究生周俊霞，华东师范大学的方致伟副教授和程亚教授为论文共同通讯作者。

上述研究工作得到了国家重点研发计划项目(2019YFA0705000)、国家自然科学基金项目(12004116, 11874154, 11734009,11933005, 11874060, and 61991444)的支持。实验过程中也获得过华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的李文雪研究员和刘洋副研究员的帮助和支持。该实验中使用的掺铒铌酸锂薄膜材料是由济南晶正电子科技有限公司代工揭膜。