近日，南開大學薄方教授課題組在 《Advanced Photonics 》發表了題為“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注，基于該特性，電光調制器和非線性波長轉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展。
文章綜述了在鈮酸鋰薄膜平臺上實現激光器和放大器的研究進展，具體介紹了基于稀土元素摻雜的LN薄膜光泵浦激光器和放大器的研究進展，討論了當前發展的一些重要參數和現有限制。此外，還總結了電泵浦激光器和放大器在LN薄膜平臺上的實現方案和研究進展，分析了光泵浦和電泵浦LN薄膜光源的優缺點。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用。文章鏈接：https://www.researching.cn/articles/OJ3b4774dd8af924d9“人類正在進入”鈮酸鋰谷”的時代”，“鈮酸鋰對于光子學的意義，等同于硅對于電子學的意義”，作為我國新材料和光芯片的彎道超車的關鍵要素，被稱作“光學硅”材料的鈮酸鋰晶體成為了光子時代的頂梁柱，為集成光子學的發展提供戰略性基礎支撐。鈮酸鋰是一種人工晶體，它是一種鈮、鋰、氧的化合物半導體材料，鈮酸鋰是目前發現的居里溫度最高的鐵電體，也是綜合光學性能最好的一種晶體。鈮酸鋰材料被人稱為光子時代的“光學硅”材料，被廣泛的應用于高性能濾波器、電光器件、全息存儲、3D 全息顯示、非線性光學器件、光量子通信等方面。作為集成光子系統的重要組成部分，基于鈮酸鋰薄膜的激光器和放大器研發也取得了一系列振奮人心的突破與進展。該文章總結了三種將稀土元素摻雜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行摻雜，得到離子濃度均勻的LN單晶；第二種方法是熱擴散法，主要通過稀土離子層的真空沉積，然后通過高溫擴散進行選擇性摻雜，由于稀土元素的擴散速率低，擴散溫度必須接近LN的居里溫度，需要擴散時間長達41h，擴散時間還取決于LN襯底的晶相；第三種方法是通過離子注入用稀土元素摻雜LN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的濃度分布示意圖以上三種摻雜方法都是經過長期發展后相對成熟的技術，但它們也有其優點和缺點。例如，與擴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換效率等重要參數，并在此基礎上，介紹了稀土元素摻雜LNOI平臺上微盤、微環和單模激光器的研究進展。同時，綜述了稀土元素摻雜LNOI放大器的研究，還討論了當前光泵浦激光器和放大器的局限性和改進措施。另一方面，在LNOI電泵浦III-V族激光器和放大器部分，詳細介紹了將III-V族增益材料引入當前集成光子學平臺的幾種主流機制，即混合集成、異質集成和微轉印打印，綜述了LNOI電泵浦III-V族激光器及放大器的研究進展。在此基礎上，深入探討了目前實現電泵浦激光器和放大器的限制和改進方案，然后討論了實現LNOI激光器和放大器的兩種途徑的優缺點。最后，作者設想了基于LNOI的光源與其他基于器件的優秀LN薄膜平臺相結合的應用場景，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想示意圖，包括集成激光器、放大器、變頻器、電光調制器、光電探測器和其他關鍵器件。這些集成光子芯片將有利于光通信、激光雷達、量子傳感、信息處理等領域。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用。
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