[论文解读] Erbium-doped lithium niobate thin film waveguide amplifier with 16 dB internal net gain

Minglu Cai, Kan Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种高效铒掺杂绝缘衬底上铌酸锂（Er:LNOI）波导放大器，在2.58厘米长度上实现了16.0 dB的内部净增益，信号增强达27.94 dB，功率转换效率为4.59 dB/mW，噪声系数为4.49 dB（波长1531.6 nm）。该放大器利用薄膜铌酸锂的高光场限制和低传播损耗特性，实现高浓度稀土离子掺杂及高效的泵浦光到信号光的能量转移。

ABSTRACT

Erbium-doped lithium niobate on insulator (Er:LNOI) has attracted enormous interest as it provides gain and enables integrated amplifiers and lasers on the lithium niobate on insulator (LNOI) platform. We demonstrate a highly efficient waveguide amplifier on Er:LNOI. The 2.58-cm long amplifier can achieve 27.94 dB signal enhancement, 16.0 dB internal net gain (6.20 dB/cm), -8.84 dBm saturation power, 4.59 dB/mW power conversion efficiency, and 4.49 dB noise figure at 1531.6 nm. Besides, thorough investigation on the pumping wavelength, pumping scheme, output power and noise figure have been performed to provide a comprehensive understanding on this novel waveguide amplifier. This work will benefit the development of a powerful gain platform and can pave the way for a fully integrated photonic system on LNOI platform.

研究动机与目标

• 开发一种基于铒掺杂绝缘衬底上铌酸锂（Er:LNOI）平台的紧凑型、集成化波导放大器，用于片上光学生增益。
• 在具有高效泵浦吸收和最小传播损耗的波导结构中，实现高内部净增益和低噪声系数。
• 通过系统研究泵浦波长、泵浦方案、输出功率和噪声特性，优化放大器性能。
• 确立Er:LNOI作为全集成光子系统（包括放大器和激光器）可行平台的地位。
• 实现在1531.6 nm通信波段的高功率、低噪声、高效率光信号放大。

提出的方法

• 采用受控铒离子掺杂的薄膜铌酸锂，制备了2.58厘米长的Er:LNOI波导作为增益介质。
• 采用980 nm泵浦激光的双程泵浦方案，以增强泵浦吸收并最大化粒子数反转。
• 采用脊型波导结构以限制信号和泵浦模式，提高模式重叠度和增益效率。
• 测量关键性能指标，包括内部净增益、信号增强、饱和输出功率、功率转换效率和噪声系数。
• 通过改变泵浦功率和波长，系统表征以确定最佳工作条件。
• 将功率转换效率计算为输出信号功率与输入泵浦功率之比，并按毫瓦归一化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在优化泵浦条件下，Er:LNOI波导放大器可实现的最大内部净增益是多少？
• RQ2 泵浦功率和波长如何影响信号增益、噪声系数和饱和特性？
• RQ3 在1531.6 nm波长下，Er:LNOI波导放大器的功率转换效率和噪声性能如何？
• RQ4 波导结构和材料平台（Er:LNOI）如何促进低传播损耗和高增益效率？
• RQ5 Er:LNOI平台能否支持高性能、紧凑且集成化的光学放大器，适用于光子集成电路？

主要发现

• 该波导放大器在2.58厘米长度上实现了16.0 dB的内部净增益，对应增益系数为6.20 dB/cm。
• 放大器表现出27.94 dB的信号增强，表明对输入信号具有显著放大能力。
• 测得饱和输出功率为-8.84 dBm，表明具备中等功率处理能力。
• 功率转换效率达到4.59 dB/mW，表明泵浦光到信号光的能量转移效率高。
• 噪声系数测量值为4.49 dB，表明具有低噪声性能，适用于对灵敏度要求高的光信号处理。
• 全面表征结果表明，该放大器在不同泵浦功率和波长下均表现出稳定高效的运行特性，验证了该平台在集成光子学中的潜力。