近日，上海交通大学物理与天文学院陈玉萍教授，陈险峰教授课题组在铌酸锂薄膜（LNOI）片上可集成微腔激光器研制上取得重要进展，该团队首次在铒离子掺杂铌酸锂薄膜上实现了通信波段激光输出。研究成果在《Science China Physics, Mechanics & Astronomy》上以封面文章发表。
铌酸锂微腔激光器示意图
作为硅基光子芯片的补充，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，而其片上可集成通信波段光源仍亟待研制。
众所周知，稀土铒离子能级系统能满足通信波段激光辐射的条件。对铌酸锂进行铒离子掺杂，可以将铌酸锂从无源材料变成激光器所需要的增益介质。此外，回音壁模式微盘腔具有尺寸小、品质因子高的优点，可以作为一种理想的微型激光器的谐振腔。研究团队设计并制作了掺铒铌酸锂微盘腔，实现了通信波段的激光输出。
图1. (a)微盘腔激光器实验装置；(b)掺铒铌酸锂微盘腔在通信波段的谐振模式；(c)腔模式的品质因子；(d)铒离子能级系统；(e)两种泵浦源产生的多波长激光辐射
这一研究首先需要解决的问题是铌酸锂薄膜（LNOI）的铒离子掺杂问题。之前稀土离子掺杂的激光器和放大器只能在光纤和二氧化硅薄膜中被有效地实现和应用。迄今为止，为数不多的对铌酸锂进行铒离子掺杂的工作，由于采用离子注入和热扩散方法导致掺杂浓度低且均匀度不好，因此仅仅获得荧光的输出。考虑到铒离子掺杂的浓度和均匀性的要求，研究团队在历时两年的不断实验后，放弃了热扩散和离子注入两种掺杂方法，选择了在铌酸锂晶体生长过程中进行铒离子掺杂。而掺铒铌酸锂晶圆则通过离子切 (smart-cut) 工艺被加工成硅基铌酸锂薄膜,解决了未来片上集成的问题。
另一个需要解决的问题是泵浦光和微盘腔的耦合。常用的泵浦光源为980nm和1480nm波段的固体激光器，波长不可调谐。因此，研究团队结合所用泵浦激光器的线宽特性，通过设计微腔的尺寸调整其自由光谱范围 (FSR) ,并利用聚焦离子束刻蚀 (FIB) 方法制备了半径为75μm的微盘腔，保证了泵浦光无需进行波长调谐就可以高效耦合进微盘腔。实验中，在974nm和1460nm波长的两种泵浦光源下，在微盘腔中均产生了较低阈值的通信波段激光输出。
图 2. (a), (b) 974nm泵浦源的激光输出波长和激光阈值；(c), (d) 1460nm泵浦源的激光输出波长和激光阈值
上述研究成果实现了光通信波段的铌酸锂基片上可集成光源，填补了国际上这一领域的研究空白，对未来基于铌酸锂薄膜材料的片上光源与各功能器件的高效集成具有十分重要的意义。
物理与天文学院光科学与技术研究所博士研究生刘一岸和颜雄硕为论文的共同第一作者，陈玉萍教授和陈险峰教授为本文通讯作者。该工作得到了国家重点研发项目, 国家自然科学基金重大研究项目以及上海市科技发展基金的资助。
论文链接：
https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/64/3/10.1007/s11433-020-1625-9?slug=fulltext
https://doi.org/10.1007/s11433-020-1625-9
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