[论文解读] Integrated spiral waveguide amplifiers on erbium-doped thin-film lithium niobate

Xiongshuo Yan, Yian Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用 12

一句话总结

该论文展示了基于掺铒离子的薄膜铌酸锂（LNOI）平台，采用CMOS兼容工艺制备的高增益、紧凑型螺旋波导放大器。通过5.3毫米长的螺旋波导和约0.06平方毫米的芯片面积，该器件在1530纳米波长处实现了8.3 dB的最大内部净增益，单位长度净增益达15.6 dB/cm，从而实现了LNOI平台上主动与被动光子器件的高效片上集成。

ABSTRACT

Integrated optical amplifiers and light sources are of great significance for photonic integrated circuits (PICs) and have attracted many research interests. Doping rare-earth ions in materials as a solution to realize efficient optical amplifiers and lasing has been investigated a lot. We investigate the erbium-doped lithium niobate on insulator (LNOI). Here, spiral waveguide amplifiers were fabricated on a 1-mol\% erbium-doped LNOI by CMOS-compatible technique. We demonstrated a maximum internal net gain of 8.3 dB at 1530 nm indicating a net gain per unit length of 15.6 dB/cm with a compact spiral waveguide of 5.3 mm length and $ \sim $0.06 mm$ ^{2} $ footprint. The erbium-doped integrated lithium niobate spiral waveguide amplifiers would pave the way in the PICs of the lithium niobate platform, especially in achieving efficient integration of active and passive devices on a lithium niobate thin film, which will make full use of its excellent physical properties such as remarkable photoacoustic, electro-optic, and piezoelectric characteristics.

研究动机与目标

• 通过在铌酸锂平台上集成有源与无源器件，实现在光子集成电路（PICs）中的片上光学生增益。
• 通过掺杂铒离子以克服铌酸锂作为非高效增益介质的局限性，实现光学放大。
• 利用螺旋波导结构设计紧凑、高增益的波导放大器，适用于PICs中的高密度集成。
• 在1-mol%掺铒LNOI平台上，通过CMOS兼容工艺实现小尺寸、高性能的放大器。
• 实现放大器和激光器等有源器件在LNOI平台上的高效集成，推动可扩展光子电路的发展。

提出的方法

• 采用电子束光刻（EBL）和反应离子束蚀刻（RIE）工艺，在1-mol%掺铒LNOI衬底上制备螺旋波导放大器。
• 利用厚度为600纳米的掺铒铌酸锂层，结合2微米厚的二氧化硅埋氧层和500微米厚的硅衬底，实现波导光限制。
• 采用1550纳米信号光和980纳米泵浦光源，基于传播损耗和耦合损耗测量结果校准输入功率。
• 通过微环谐振器测量传播损耗，1550纳米波长下负载Q因子为5×10⁴，本征Q因子为5.4×10⁴。
• 利用公式 α = 2πnₑff / (λ₀Qᵢ) 计算传播损耗，在1550纳米波长下获得约6.86 dB/cm的损耗值。
• 通过信号光谱和增益随泵浦功率变化的曲线对净增益进行表征，观察到约10 mW泵浦功率时发生增益饱和。

实验结果

研究问题

• RQ1 螺旋波导结构是否能在掺铒LNOI上实现紧凑尺寸下的高光学增益？
• RQ2 在1-mol%掺铒LNOI上，螺旋波导放大器可实现的最大内部净增益是多少？
• RQ3 该螺旋波导放大器的单位长度净增益与现有直波导放大器相比如何？
• RQ4 净增益带宽在C波段的范围是多少？其对片上光子集成有何支持作用？
• RQ5 螺旋波导中强光场限制是否可减小器件尺寸，同时保持高放大效率？

主要发现

• 在1530纳米波长处，当输入泵浦功率为10.78 mW、信号功率为-10.7 dBm时，实现了最大8.3 dB的内部净增益。
• 净增益每单位长度达到15.6 dB/cm，超过此前报道的掺铒LNOI波导放大器性能。
• 螺旋波导放大器总长度为5.3 mm，芯片面积约为0.06 mm²，为目前报道的最小尺寸的掺铒LNOI波导放大器。
• 基于微环谐振器表征，传播损耗测量值为约6.86 dB/cm，在5.3 mm波导长度上贡献约3.64 dB的损耗。
• 980 nm波长处的耦合损耗为16 dB，1550 nm波长处为13.4 dB，用于校准输入泵浦和信号功率。
• 放大器净增益带宽为1530–1570 nm，增益大于3 dB，表明其适用于C波段光子集成。