新型片上掺铒铌酸锂微腔激光器

作为硅基光子芯片的补充，铌酸锂薄膜（LNOI）以其突出的非线性、电光、声光、压电等物理特性，成为光电子集成领域的研究热点。基于铌酸锂薄膜的片上集成倍频器、调制器和滤波器已经研制成功，但片上集成通信波段光源仍急需开发。近日，上海交通大学的研究人员首次公开报道，他们在自主研发的掺铒LNOI上，设计、制造并实现了铌酸锂芯片微腔的激光输出。

回音廊道模式微盘谐振器体积小，品质因数高。通过选择合适的泵浦源和精心设计制作铌酸锂薄膜微盘，实现了集成铌酸锂片上C波段激光器的输出。研究结果以“On-chip Erbium-doped lithium niobate microcavity laser”为题，于近期发表在《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》杂志上。

众所周知，稀土铒离子的能级系统可以满足通信波段激光辐射的条件。以前，掺杂稀土离子的激光器和放大器只能在光纤和二氧化硅薄膜中得到有效的实现和应用。到目前为止，掺铒铌酸锂薄膜的研究报道很少，而且采用离子注入和热扩散方法只能在低掺杂浓度下获得荧光输出，但均匀性较差。

在近两年发现这些问题时，研究人员放弃了离子注入和热扩散的方法，选择在铌酸锂晶体生长过程中掺杂铒离子，旨在解决掺铒铌酸锂的浓度和均匀性问题。通过智能切割工艺制备了铌酸锂薄膜。这些工艺是与上海大恒光学精密机械有限公司、济南精正电子有限公司合作完成的。该方法制备的掺铒铌酸锂薄膜具有均匀的铒离子分布，满足片上激光器的发展要求。

随后，研究人员使用聚焦离子束（FIB）刻蚀方法，在600 nm厚的Z切掺铒铌酸锂薄膜上制造出微盘谐振器。采用980nm和1480nm波段的抽运光通过锥形光纤耦合。在这两种泵浦下，通信波段的激光输出明显。

本研究成果实现了铌酸锂芯片通信波段的集成光源，对未来铌酸锂薄膜材料的片上光源和各种功能器件的高效集成具有重要意义。

原文链接：https://phys.org/news/2020-11-on-chip-erbium-doped-lithium-niobate-microcavity.html