近日，南開大學(xué)薄方教授課題組在 《Advanced Photonics 》發(fā)表了題為“Advances in lithium niobate thin film lasers and amplifiers”文章，文中提出，鈮酸鋰（LN）薄膜因其豐富而出色的電光特性而作為集成光子平臺受到廣泛關(guān)注，基于該特性，電光調(diào)制器和非線性波長轉(zhuǎn)換器等各種功能光子器件的性能令人印象深刻。作為集成光子系統(tǒng)的重要組成部分，期待已久的LN薄膜平臺上的激光器和放大器最近取得了一系列突破和重要進(jìn)展。
文章綜述了在鈮酸鋰薄膜平臺上實現(xiàn)激光器和放大器的研究進(jìn)展，具體介紹了基于稀土元素?fù)诫s的LN薄膜光泵浦激光器和放大器的研究進(jìn)展，討論了當(dāng)前發(fā)展的一些重要參數(shù)和現(xiàn)有限制。此外，還總結(jié)了電泵浦激光器和放大器在LN薄膜平臺上的實現(xiàn)方案和研究進(jìn)展，分析了光泵浦和電泵浦LN薄膜光源的優(yōu)缺點。最后，展望了LN薄膜激光器和放大器以及其他片上功能器件的應(yīng)用。文章鏈接：https://www.researching.cn/articles/OJ3b4774dd8af924d9“人類正在進(jìn)入”鈮酸鋰谷”的時代”，“鈮酸鋰對于光子學(xué)的意義，等同于硅對于電子學(xué)的意義”，作為我國新材料和光芯片的彎道超車的關(guān)鍵要素，被稱作“光學(xué)硅”材料的鈮酸鋰晶體成為了光子時代的頂梁柱，為集成光子學(xué)的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎(chǔ)支撐。鈮酸鋰是一種人工晶體，它是一種鈮、鋰、氧的化合物半導(dǎo)體材料，鈮酸鋰是目前發(fā)現(xiàn)的居里溫度最高的鐵電體，也是綜合光學(xué)性能最好的一種晶體。鈮酸鋰材料被人稱為光子時代的“光學(xué)硅”材料，被廣泛的應(yīng)用于高性能濾波器、電光器件、全息存儲、3D 全息顯示、非線性光學(xué)器件、光量子通信等方面。作為集成光子系統(tǒng)的重要組成部分，基于鈮酸鋰薄膜的激光器和放大器研發(fā)也取得了一系列振奮人心的突破與進(jìn)展。該文章總結(jié)了三種將稀土元素?fù)诫s到鈮酸鋰晶體中的方案。第一種是用直拉法生長LN晶體時加入稀土氧化物進(jìn)行摻雜，得到離子濃度均勻的LN單晶；第二種方法是熱擴(kuò)散法，主要通過稀土離子層的真空沉積，然后通過高溫擴(kuò)散進(jìn)行選擇性摻雜，由于稀土元素的擴(kuò)散速率低，擴(kuò)散溫度必須接近LN的居里溫度，需要擴(kuò)散時間長達(dá)41h，擴(kuò)散時間還取決于LN襯底的晶相；第三種方法是通過離子注入用稀土元素?fù)诫sLN晶體，在室溫下，離子通過范德格拉夫加速器或晶體管加速器加速到百萬電子伏特能量，并植入LN晶體中。稀土離子摻雜鈮酸鋰晶體的方法及其對應(yīng)的濃度分布示意圖以上三種摻雜方法都是經(jīng)過長期發(fā)展后相對成熟的技術(shù)，但它們也有其優(yōu)點和缺點。例如，與擴(kuò)散和離子注入摻雜相比，晶體生長摻雜可以獲得高摻雜濃度和更均勻的離子分布，因此在實現(xiàn)高功率和低傳輸損耗激光器和放大器方面具有廣闊的前景。緊接著，文中分析了WGMs微激光器的閾值和轉(zhuǎn)換效率等重要參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，介紹了稀土元素?fù)诫sLNOI平臺上微盤、微環(huán)和單模激光器的研究進(jìn)展。同時，綜述了稀土元素?fù)诫sLNOI放大器的研究，還討論了當(dāng)前光泵浦激光器和放大器的局限性和改進(jìn)措施。另一方面，在LNOI電泵浦III-V族激光器和放大器部分，詳細(xì)介紹了將III-V族增益材料引入當(dāng)前集成光子學(xué)平臺的幾種主流機(jī)制，即混合集成、異質(zhì)集成和微轉(zhuǎn)印打印，綜述了LNOI電泵浦III-V族激光器及放大器的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，深入探討了目前實現(xiàn)電泵浦激光器和放大器的限制和改進(jìn)方案，然后討論了實現(xiàn)LNOI激光器和放大器的兩種途徑的優(yōu)缺點。最后，作者設(shè)想了基于LNOI的光源與其他基于器件的優(yōu)秀LN薄膜平臺相結(jié)合的應(yīng)用場景，如傳感、變頻和片上光通信。最后，如上圖所示，作者展示了LN薄膜平臺上幾個集成多功能光子電路的設(shè)想示意圖，包括集成激光器、放大器、變頻器、電光調(diào)制器、光電探測器和其他關(guān)鍵器件。這些集成光子芯片將有利于光通信、激光雷達(dá)、量子傳感、信息處理等領(lǐng)域。未來，高度集成的多功能LNOI芯片有望走出實驗室，并帶來更多的實際應(yīng)用。
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