光放大器件是光通信系统的关键部件。商用光放大器有各自的优点和限制，如掺铒光纤放大器（EDFAs）能提供低噪声和高增益，但是通常需要一到几十米的光纤长度，半导体光放大器（SOAs）增益高但是噪声系数也较高。绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台结合了铌酸锂极其优越的光学性能和强光场束缚，有望成为下一代光子集成电路（PICs）的潜在解决方案。铒离子能够在覆盖电信波段的宽带范围提供稳定的低噪声增益，使铒离子掺杂非常适合于光放大器和激光器。在LNOI平台中掺杂铒离子有望实现低损耗、高增益、低噪声、可集成的掺铒波导放大器（EDWAs）。

在这里，我们展示了一个高效实用的集成化微米级Er:LNOI波导放大器，并验证了它卓越的放大能力和实用性。我们使用紫外光刻结合深刻蚀工艺，在微米级Er:LNOI晶圆（图1b）上制备了波导放大器阵列（图1c），长度为5.6 cm（图1d）。图1f展示了波导放大器的截面SEM图，刻蚀深度为2.1 μm，截面大约3(H)×6(W) μm2，和透镜光纤的光斑尺寸相匹配。

图1. (a) Er:LNOI晶圆的键合；(b) 减薄和抛光得到微米Er:LNOI；(c) Er:LNOI晶圆样品照片；(d) 微米波导阵列；(e) 980 nm泵浦下的强荧光；(f)波导端面的SEM图像；(g) 分别模拟了980、1460和1531 nm的TE基模。

我们在1460nm波长下使用双向泵浦方案对波导放大器性能进行了测试。如图2a，随着片上信号功率增大，激发态铒离子耗尽，内部净增益逐渐减小，当片上信号功率超过0.25dBm时，放大器不再提供进一步的增益。我们的微米级波导放大器具有低的低耦合损耗，有可能被封装成一个信号功率为-4.5dBm的光纤对光纤增益为13.7dB的器件，这优于Er:TFLN纳米波导放大器。接着研究了三种不同片上信号功率下内部净增益对片上泵浦功率的依赖关系，如图2b所示，获得的最大内部净增益约为18.8dB，对应的归一化净增益为3.36dB/cm，输出信号最高达20.7mW（图2c）。在最大增益点有泵浦和没有泵浦的光谱如图2d所示，与大多数基于Er:TFLN纳米级波导放大器的研究相比，我们EDWA在光纤端输出功率高得多（得益于很低的耦合损耗）。

图2. (a)内部净增益随信号功率变化，片上泵浦功率为54 mW；(b)对于不同的片上信号功率，内部净增益随片上泵浦功率变化；(c)输出信号功率随片上泵浦功率变化；(d) 输出信号在最大增益处有泵浦和没有泵浦时的光谱。

该项成果发表在“Xiaotian Xue, Jing Qiu, Tingting Ding, Wenjun Ding, Jiayu Wang, Yongzhi Tang, Yuting Zhang, Hao Li, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Integrated erbium-doped waveguide amplifier on lithium niobate on insulator, Optics Materials Express, 14(8), 1985-1994 (2024)”。

论文链接：https://opg.optica.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-14-8-1985&id=553382