铌酸锂薄膜 (LNOI) 因其出色的非线性、电光、声光、压电等物理特性成为光电子集成领域的研究热点。基于铌酸锂薄膜的片上可集成倍频器，调制器和滤波器等已得到开发。随着掺铒铌酸锂薄膜的研制，基于铌酸锂薄膜的激光器和放大器等有源器件的研究也受到越来越多的关注。近期，基于掺铒铌酸锂薄膜片上微腔激光器和放大器也得以实现。然而，目前基于掺铒铌酸锂薄膜微腔获得的激光大多为多模，而为了获得铌酸锂片上单色、稳定、高光束质量的激光光源，对于铌酸锂片上集成C波段可调的单模激光的研制就显得尤为重要。

我们利用掺铒铌酸锂薄膜上的一对耦合的微盘和微环，在974 nm单模激光泵浦下，实现了片上C波段(1560.40 nm)单模激光输出，其最大边模抑制比(SMSR)为31.4 dB，阈值功率为1.31 mW，对应的斜率效率为4.41×10-5。通过调节温度变化，单模激光的功率不断增大并且实现了中心波长从1560.30 nm到1560.40 nm的调节。此外，设计改变微盘和微环的耦合宽度获得了中心波长为1560.60 nm和1565.00 nm的单模激光输出。

图1. (a)掺铒铌酸锂片上光子分子示意图(耦合的微环和微盘腔)；(b)光子分子SEM图和微盘、微环、波导相互之间的耦合间距放大示意图；(c)单模回音壁模式激光输出原理示意图；(d)耦合的微环(R2 = 165 µm)和微盘(R1 = 150 µm)的谐振波长,五角星显示两者的共振波长(1560.20 nm)

实验中，我们通过设计较大的微盘半径(R1 = 150 µm)使得我们可以直接利用单模974 nm激光直接泵浦，并能在微盘腔中实现较好的谐振，而不需要借助于可调的泵浦光源，因而能很好的降低实验要求的条件；同时泵浦光源在腔内谐振增强了腔内的泵浦光强进而可降低单模激光器的阈值。通过设计合适的微环参数(R2 = 165 µm, 波导宽度1.2um)，可以有效实现在1550 nm波段(1560.40 nm)的单模激光输出，并得到相对较高的边模抑制比。在实验中调节器件的温度，我们实现了单模激光中心波长在1560.30 nm-1560.40 nm范围的调制。此外，通过改变微腔之间的耦合间距，实验上可以获得1560.60 nm和1565.00 nm处的单模激光，其SMSR分别为22.60 dB和22.38 dB，仍具有良好的单模特性。

图 2. (a) 不同泵浦功率下的单模激光光谱；(b) 1560.40 nm 单模激光功率与 974 nm 泵浦功率的关系, (c)、(d) 分别为单模激光输出功率、波长与器件温度

上述研究成果实现了掺铒铌酸锂薄膜片上光通信波段的可调单模激光光源输出，对未来基于铌酸锂薄膜材料的片上单色、稳定、高光束质量的激光光源与各功能器件的高效集成、应用研究具有重要的意义。

该成果发表在“Xiangmin Liu, Xiongshuo Yan, Yi’an Liu, Hao Li, Yuping Chen, and Xianfeng Chen, Tunable single-mode laser on thin film lithium niobate, Optics Letters, 46, 5505-5508 (2021)”。

原文链接： https://www.osapublishing.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-46-21-5505&id=462759