铌酸锂上III/V放大器和激光器

    在这个平台上首次演示了增益、激光和光电波长调谐。

    相关成果以“III/V-on-lithium niobate amplifiers and lasers”为题于2021年10月1日在光学顶级期刊《OPTICA》上发表。

    文章作者：Camiel Op de Beeck, Felix M. Mayor, Stijn Cuyvers, Stijn Poelman,Jason F. Herrmann, Okan Atalar, Timothy P. McKenna, Bahawal Haq, Wentao Jiang, Jeremy D. Witmer, Gunther Roelkens, Amir H. Safavi-Naeini,Raphaël Van Laer, AND Bart Kuyken. 研究背景铌酸锂(LN)由于其极具吸引力的电光(EO)特性，长期以来是远程和数据通信快速调制的首选材料。

    然而，就算到目前为止，与硅和氮化硅光子平台相比，它还缺乏高密度尺度的可能性。

    尽管早期研究人员不断尝试解决这个问题，但在LN中同时实现强光约束和低损耗似乎遥不可及。

    与此同时，氮化硅和硅光子学迅速由于其成本优势和研究人员的不断努力，已经在科学研究和商业上确立优势，但这些光子平台由于缺乏强大的二阶非线性而受到阻碍，例如硅中基于载波的调制器确实达到了物理性能的极限。

    薄膜LN (TFLN)的快速发展重新让这种材料系统得到关注。

    薄膜LN的传播损耗低，并且目前向(150毫米)晶圆级加工快速发展。

    薄膜LN平台是不断推动光学模式更强约束的结果，以使器件更小，提高电光和全光相互作用的效率。

    目前，最先进的带宽超过100 GHz的调制器都是基于薄膜LN的。

    利用光泵浦掺铒LN产生光已经有不少研究工作，但是在这个平台上仍然缺少电注入光源和探测器的相关研究。

    III/V增益材料在薄膜LN上的异质集成曾被预言可以来填补这一空白，现在在这项工作中得到证实。

    电注入III/V材料可以提供单位长度的高增益，有助于密集集成。

    此外，集成在薄膜LN上的激光器可以利用Pockels效应产生电光可调谐频率梳，从1550 nm泵浦产生可见光或中红外光，或实现纯和快速频率调谐，例如调频连续波激光雷达。

    除了速度快几个数量级之外，电光波长调谐所消耗的能量也明显低于通常用于硅或氮化硅波长调谐的加热器。

    创新研究在本研究中，研究人员开发了一种后端兼容工艺，可以将III/V放大器异质集成到LN波导上，在这个平台上首次演示了增益、激光和光电波长调谐。

    图1(a)是该光子平台同横截面示意图，包括蓝宝石衬底、500nm x切LN薄膜，薄膜上的微结构由电子束光刻和氩离子刻蚀定义、在部分蚀刻的LN层上添加金属电极、最后在样品上沉积一个1.3µm厚的氧化硅顶部覆层。

    该工艺过程中不同部分的显微镜图像显示在图1(b)–1(d)，如下图所示。

    图1 (a)平台内不同横截面的示意图；1(b)-1(d)不同工艺过程光学图像；激光器的设计图1(e)及示意图1(f) 环形激光器简单地连接放大器的输出，通过一个定向耦合器每次往返抽取10%的循环功率。

    单模可调谐激光器的特点是在放大器的两侧有一个电光可调谐的环形谐振镜，以及一个电光相位调谐部分，用于对往返的相位进行微调。

    图2(a)-2(c)展示了铌酸锂上III/V放大器的特性，图2(d)-2(f)展示了铌酸锂上III/V激光器的特性。

    图2 (a)铌酸锂上III/V放大器的增益带宽；(b)增益饱和度与偏置电流关系；(c)增益压缩相对于片上输入功率，线性比例关系；(d)不同温度下环状激光器的LI曲线；(e)粗波长调谐；(f)细波长调谐总结综上所述，研究团队演示了第一个集成在薄膜LN平台上的电泵浦放大器和激光器。

    放大器的集成过程完全在后端完成。

    电泵浦光学增益和单个芯片上的强二阶磁化率的结合，有助于微波光子学、集成量子光子学和非线性光学中的集成器件的发展。