高增益、低噪声光放大器是光通信和光信号处理系统中的核心器件。随着光子集成技术的发展，片上铒掺杂波导放大器因兼具稀土增益介质的低噪声特性和集成器件的紧凑结构而受到广泛关注。铒掺杂绝缘体上铌酸锂（Er:LNOI）还融合了铌酸锂优异的电光效应、光学非线性和低传播损耗，为多功能光子集成提供了重要平台。现有Er:LNOI放大器多采用纳米波导结构，波导模式与标准光纤之间不匹配引入较大的耦合损耗，整体器件性能受限。因此，进一步提高包含传播、耦合和连接损耗在内的光纤到光纤净增益，是推动集成波导放大器实际应用的关键。

我们设计并制备了一种Er:LNOI微米波导放大器，总有效增益长度达到11.2 cm。波导截面约为6 μm×5 μm，较大的模式面积有利于改善波导与标准透镜光纤之间的模式匹配，并提高器件的功率承载能力。实验测得波导传播损耗约为0.37 dB/cm，单端面耦合损耗为1.78 dB。材料表征结果显示，铒离子在波导区域内均匀分布，掺杂浓度约为0.47 mol%，铒离子亚稳态的荧光寿命为2.42 ms。此外，通过将波导端面斜抛光5.2°，端面反射形成的寄生激光被抑制约49 dB，有效避免了寄生激光对高泵浦功率下信号增益的限制。

图1. 器件设计、材料表征和波导特性。（a）由两段波导串联构成的Er:LNOI微米波导放大器示意图，（b）脊形波导截面的扫描电子显微镜（SEM）图，其上叠加了基模TE模式分布，（c）飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）测得的铌酸锂晶体中铒离子的三维分布，（d）亚稳态的荧光寿命测量结果，荧光寿命为2.42 ms，（e）通过散射荧光测量得到的传播损耗。

在1480 nm双向泵浦条件下，该放大器在1531 nm信号波长和−25 dBm输入信号功率下，实现了28.2 dB的光纤到光纤净增益。该增益由输入和输出光纤之间的光功率直接测得，包含波导传播损耗、光纤耦合损耗及两段波导之间的连接损耗，是目前已报道铒掺杂集成波导放大器中的最高值。随着输入信号功率增加，器件逐渐进入增益饱和状态，净增益随之降低，但输出功率继续提高，最高达到15.8 dBm。在最大增益工作条件下，器件的噪声系数为5.3 dB，实验结果与基于三能级速率方程的理论模拟符合良好。

图2. Er:LNOI微米波导放大器的增益性能表征。（a）采用双向泵浦结构的Er:LNOI微米波导光放大实验装置示意图，（b）1531 nm处的光纤到光纤净增益和输出功率随输入信号功率的变化，（c）光纤到光纤净增益和噪声系数随泵浦功率的变化。实线：模拟结果；符号：实验结果，（d）输入信号功率为−25 dBm时的输入和输出光谱，显示出28 dB的信号增强，（e）片上净增益随波导长度和泵浦功率变化的模拟等高线图。

本研究实现了光纤到光纤净增益超过28 dB、最大输出功率超过15 dBm的Er:LNOI微米波导放大器，并在最大增益条件下获得了5.3 dB的噪声系数。该光纤到光纤净增益是目前所有材料平台的铒掺杂集成波导放大器中报道的最高值，表明铌酸锂微米波导结构是集成光子系统中实现高增益光放大的有效架构。该微波导放大器有望进一步应用于集成光通信、光学传感和光信号处理系统。

该成果发表在“Zhixuan Yu, Liwen Deng, Jing Qiu, Feng Dang, Jinli Han, Tingting Ding, Hao Li, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Erbium-Doped Lithium Niobate-on-Insulator Waveguide Amplifier With 28 dB Fiber-to-Fiber Net Gain, Laser & Photonics Reviews, 0,e71753(2026)”

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.71753