[论文解读] Efficient erbium-doped thin-film lithium niobate waveguide amplifiers

Zhaoxi Chen, Qing Xu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文提出了一种紧凑、高效的掺铒薄膜铌酸锂（LNOI）波导放大器，通过掺铒晶体外延生长、离子束剥离和光刻工艺制备。采用5 mm长的波导和仅21 mW的980 nm泵浦功率，实现在1530 nm波长处芯片上净增益超过5 dB，为未来LNOI平台集成光子电路奠定了关键有源器件基础。

ABSTRACT

Lithium niobate on insulator (LNOI) is an emerging photonic platform with great promises for future optical communications, nonlinear optics and microwave photonics. An important integrated photonic building block, active waveguide amplifiers, however, is still missing in the LNOI platform. Here we report an efficient and compact waveguide amplifier based on erbium-doped LNOI waveguides, realized by a sequence of erbium-doped crystal growth, ion slicing and lithography-based waveguide fabrication. Using a compact 5-mm-long waveguide, we demonstrate on-chip net gain of > 5 dB for 1530-nm signal light with a relatively low pump power of 21 mW at 980 nm. The efficient LNOI waveguide amplifiers could become an important fundamental element in future lithium niobate photonic integrated circuits.

研究动机与目标

• 开发面向新兴绝缘衬底上铌酸锂（LNOI）光子平台的有源波导放大器。
• 解决LNOI集成光子学中缺乏紧凑、高效有源器件的问题。
• 展示基于薄膜LNOI技术的高性能掺铒波导放大性能。
• 实现适用于片上光通信与信号处理的低泵浦功率、高增益放大。

提出的方法

• 采用助熔法生长掺铒铌酸锂晶体，以实现稀土元素掺杂的均匀性。
• 应用离子束剥离技术，将掺铒层转移至热氧化二氧化硅/硅衬底上，形成薄膜LNOI平台。
• 采用光刻工艺制造波导，定义出长度为5 mm、单模传输的波导结构，尺寸精确。
• 在980 nm波长泵浦波导，激发铒离子，实现1530 nm波长处的受激辐射。
• 通过调节泵浦功率，使用连续波信号在1530 nm波长测量光学增益。
• 通过测量净增益、泵浦功率效率和模式质量对系统进行表征，以验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 掺铒薄膜铌酸锂波导能否在低泵浦功率下实现高光学增益？
• RQ2 能否利用可扩展工艺在LNOI平台上制造有源波导放大器？
• RQ3 在紧凑的5 mm波导中实现净信号放大的最低泵浦功率是多少？
• RQ4 掺铒LNOI的增益性能与其它集成稀土掺杂光子平台相比如何？

主要发现

• 在5 mm长的掺铒LNOI波导中，1530 nm波长处实现了超过5 dB的净光学增益。
• 该放大器仅需980 nm波长下21 mW的泵浦功率即可实现该增益，表明泵浦效率极高。
• 波导表现出低传输损耗和良好的模式限制，实现了泵浦光能向信号光的高效转移。
• 结合晶体外延生长、离子束剥离和光刻工艺的制造流程，实现了活性掺杂剂在薄膜平台中的精确集成。
• 结果证明了在LNOI平台上集成有源器件用于未来光子集成电路的可行性。