[论文解读] On-chip integrated waveguide amplifiers on Erbium-doped thin film lithium niobate on insulator

Junxia Zhou, Youting Liang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics参考文献 19被引用 13

一句话总结

本论文通过光刻辅助化学机械蚀刻（PLACE）技术，在铒掺杂绝缘体上薄膜铌酸锂（TFLNOI）上实现了片上集成波导放大器，于1530 nm波长处获得最大内部净增益18 dB，3.6 cm波导长度下差分增益达5 dB/cm，实现了单平台上有源与无源光子器件的单片集成。

ABSTRACT

We demonstrate on-chip light amplification with integrated optical waveguide fabricated on erbium-doped thin film lithium niobate on insulator (TFLNOI) using the photolithography assisted chemo-mechanical etching (PLACE) technique. A maximum internal net gain of 18 dB in the small-signal-gain regime is measured at the peak emission wavelength of 1530 nm for a waveguide length of 3.6 cm, indicating a differential gain per unit length of 5 dB/cm. This work paves the way to the monolithic integration of diverse active and passive photonic components on the TFLNOI platform.

研究动机与目标

• 开发一种与集成光子学兼容的可扩展片上波导放大器平台。
• 实现在单一基板上，有源（放大器）与无源（波导、调制器）光子器件的单片集成。
• 在紧凑的集成波导结构中，利用铒掺杂绝缘体上薄膜铌酸锂（TFLNOI）实现高光学增益。
• 展示一种名为PLACE的制造方法，可实现稀土掺杂铌酸锂中精确、低损耗的波导结构。
• 在1530 nm发射峰的小信号增益区域验证放大器的性能。

提出的方法

• 采用铒掺杂绝缘体上薄膜铌酸锂（TFLNOI）作为有源增益介质。
• 利用光刻辅助化学机械蚀刻（PLACE）技术，实现具有精确几何形状与表面平整度控制的低损耗、高质量波导。
• 设计3.6 cm长的波导，以优化光学增益并最小化传播损耗。
• 测量小信号增益性能，以评估内部净增益与单位长度的差分增益。
• 在标准光学泵浦条件下运行放大器，以实现铒离子的粒子数反转。
• 在1530 nm峰值发射波长处表征放大器响应，以确定最大增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一种可扩展且精确的制造技术，在铒掺杂绝缘体上薄膜铌酸锂（TFLNOI）上成功制造片上波导放大器？
• RQ2 在1530 nm发射峰处，此类波导放大器可实现的最大内部净增益是多少？
• RQ3 单位长度的差分增益是多少？与其他集成放大器平台相比表现如何？
• RQ4 PLACE技术能否实现适用于有源光子集成的低损耗、高质量波导？
• RQ5 在TFLNOI平台上，有源与无源光子器件的单片集成程度如何？

主要发现

• 在1530 nm峰值发射波长的小信号增益区域，实现了18 dB的最大内部净增益。
• 单位长度差分增益测量值为5 dB/cm，表明具有优异的放大效率。
• 波导放大器在3.6 cm长度上实现，展示了其在集成光子电路中的可扩展性。
• 光刻辅助化学机械蚀刻（PLACE）技术可在铒掺杂TFLNOI中实现高质量、低损耗的波导结构。
• 结果证实了在TFLNOI平台上实现有源与无源光子器件单片集成的可行性。
• 在1530 nm处展示的增益性能使TFLNOI平台成为下一代集成光放大器的有力候选者。