[论文解读] A high-gain cladded waveguide amplifier on erbium doped thin-film lithium niobate fabricated using photolithography assisted chemo-mechanical etching

Youting Liang, Junxia Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种基于薄膜绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）的高增益掺铒波导放大器，采用光致抗蚀剂辅助化学机械蚀刻（PLACE）工艺制造的Ta2O5双包层结构。当在980 nm泵浦下，10 cm长的放大器在1532 nm波长处实现了超过20 dB的内部净增益，相较于空气包层结构，性能显著提升，归因于模式限制的改善和传播损耗的降低。

ABSTRACT

Erbium doped integrated waveguide amplifier and laser prevail in power consumption, footprint, stability and scalability over the counterparts in bulk materials, underpinning the lightwave communication and large-scale sensing. Subject to the highly confined mode and moderate propagation loss, gain and power scaling in such integrated micro-to-nanoscale devices prove to be more challenging compared to their bulk counterparts. In this work, stimulated by the prevalent success of double-cladding optical fiber in high-gain/power operation, a Ta2O5 cladding is employed in the erbium doped lithium niobate (LN) waveguide amplifier fabricated on the thin film lithium niobate on insulator (LNOI) wafer by the photolithography assisted chemomechanical etching (PLACE) technique. Above 20 dB small signal internal net gain is achieved at the signal wavelength around 1532 nm in the 10 cm long LNOI amplifier pumped by the diode laser at ~980 nm. Experimental characterizations reveal the advantage of Ta2O5 cladding in higher optical gain compared with the air-clad amplifier, which is further explained by the theoretical modeling of the LNOI amplifier including the guided mode structures and the steady-state response of erbium ions.

研究动机与目标

• 为解决集成掺铒波导放大器中因高模式限制和传播损耗导致增益低下的挑战。
• 通过借鉴光纤放大器的双包层结构，提升微米至纳米尺度集成波导中的光学增益和功率扩展能力。
• 展示一种可扩展、紧凑且高性能的放大器，基于新型制造工艺在薄膜铌酸锂上实现。
• 通过实验与理论分析，验证Ta2O5包层相较于空气包层在提升增益方面的优越性。

提出的方法

• 利用光致抗蚀剂辅助化学机械蚀刻（PLACE）技术，在绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）衬底上制造10 cm长的掺铒波导，实现精确的波导图案化。
• 在波导芯层周围引入五氧化二钽（Ta2O5）包层，以增强光模式限制并减少辐射损耗。
• 采用980 nm半导体激光器作为泵浦源，激发掺铒波导中的铒离子，实现1532 nm波长处的受激辐射。
• 通过理论建模分析导波模场分布及稳态铒离子响应，以研究增益增强机制。
• 通过实验表征内部净增益、传播损耗及模场分布，以验证性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 与空气包层结构相比，薄膜铌酸锂波导中的双包层结构是否能显著提升光学增益？
• RQ2 Ta2O5包层在掺铒集成波导中在多大程度上降低了传播损耗并增强了模式限制？
• RQ3 采用PLACE制造工艺，在980 nm泵浦下，10 cm长的掺铒LNOI放大器可实现的可达成内部净增益是多少？
• RQ4 导波模结构与铒离子能级布居动力学如何共同促进集成波导放大器的增益扩展？

主要发现

• 在10 cm长的掺铒LNOI波导放大器中，实验测得在信号波长1532 nm处的内部净增益超过20 dB。
• Ta2O5包层放大器的光学增益显著高于空气包层对照组，证实了双包层设计的有效性。
• 理论建模表明，Ta2O5包层通过改善模式限制和降低传播损耗，是增益提升的主要原因。
• 光致抗蚀剂辅助化学机械蚀刻（PLACE）工艺实现了高精度波导制造，具有低表面粗糙度和低传播损耗。
• 实测传播损耗足够低，可支持在紧凑集成平台上实现高增益工作。