光源是片上光学系统中不可缺少的组成部分。与混合集成或异质集成激光器相比，单片集成激光器具有可大规模制造、低耦合损耗、测试复杂度低等优点，更适合高密度光子集成回路。近年来，关于稀土离子掺杂薄膜铌酸锂的研究成为热点，在经典器件和量子应用领域上都有许多研究成果。然而，低输出功率和有限的量子发射效率是将基于该平台的芯片级光源投入应用的主要阻碍。我们提出了一种由放大器辅助的高效薄膜掺铒铌酸锂激光器（IAL），并进行了实验制备。得到的激光器斜率效率为0.43%，激光线宽为47.86 kHz。激光的最大片上输出功率为7.989μW。我们的研究结果展示了一种在不改变材料固有量子发射效率的情况下提高效率的方案，并且有望与光通信、量子存储和量子发射等应用相结合。

图1 IAL的概念和结构。(a) IAL示意图。(b) 被泵浦的IAL显微图像。(c−e)扫描电子显微图像；放大图为端面耦合器和螺旋波导。

IAL的结构如图1（a）所示。当泵浦激光通过端面耦合器输入到波导中并耦合到微盘谐振腔中时，由于回音壁模式(WGM)腔内光与物质相互作用的增强，腔中的铒离子将被激发到更高的能级(980 nm泵浦到4I11/2, 1480 nm泵浦到4I13/2)。经过快速的非辐射跃迁，铒离子将发射C波段的激光。当产生的激光与剩余泵浦激光耦合出微腔并沿螺旋波导放大器传播时，泵浦激光将激发波导中的铒离子并形成粒子数反转。信号激光将被放大，使泵浦激光的能量进一步转移到信号激光中。图1（a）中的能级图描绘了产生激光和放大过程。值得注意的是，铒离子在泵浦下的上转换过程也会产生绿光。这一过程不利于C波段激光的量子发射效率，但可以帮助我们估计泵浦激光的功率密度。图1（b）展示了激光器被泵浦时的显微图像。绿光所在位置分别为微盘腔和螺旋波导。

图2 IAL在不可调泵浦输入时的性能。在不可调谐泵浦下，激光器在1531.6 nm处的发射功率(a)和光谱(b)。(c)微盘激光器与IAL的发射功率比较；插图展示了激光阈值。(d)泵浦为17.98 mW时微盘激光器与IAL的激光峰值比较。(e)在50℃时，IAL在1531.6 nm处的发射功率。(f)不同温度(40 ~ 70℃)下激光峰的波长漂移。1530 nm (g)和1562 nm (h)附近的激光模式随温度从20℃升高到70℃的演变。

图3 IAL在可调泵浦输入时的性能。(a)激光功率与可调泵浦功率的关系。(b)可调泵浦输入时IAL的发射光谱。(c)信号激光的线宽。(d) 1530.56 nm附近的测量模式的洛伦兹拟合，负载Q 因子为5.59 × 10^5。

该成果发表在ACS photonics，题为“Efficient Integrated Amplifier-Assisted Laser on Erbium-Doped Lithium Niobate”。

论文链接：DOI: 10.1021/acsphotonics.4c00391