新进展：基于铌酸锂薄膜的激光器和放大器综述

近日，南开大学薄方教授课题组在《Advanced Photonics 》发表了题为“Advances in lithium niobate thin film lasers and amplifiers”文章，文中提出，铌酸锂（LN）薄膜因其丰富而出色的电光特性而作为集成光子平台受到广泛关注，基于该特性，电光调制器和非线性波长转换器等各种功能光子器件的性能令人印象深刻。作为集成光子系统的重要组成部分，期待已久的LN薄膜平台上的激光器和放大器最近取得了一系列突破和重要进展。

文章综述了在铌酸锂薄膜平台上实现激光器和放大器的研究进展，具体介绍了基于稀土元素掺杂的LN薄膜光泵浦激光器和放大器的研究进展，讨论了当前发展的一些重要参数和现有限制。此外，还总结了电泵浦激光器和放大器在LN薄膜平台上的实现方案和研究进展，分析了光泵浦和电泵浦LN薄膜光源的优缺点。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应用。

文章链接：https://www.researching.cn/articles/OJ3b4774dd8af924d9

“人类正在进入”铌酸锂谷”的时代”，“铌酸锂对于光子学的意义，等同于硅对于电子学的意义”，作为我国新材料和光芯片的弯道超车的关键要素，被称作“光学硅”材料的铌酸锂晶体成为了光子时代的顶梁柱，为集成光子学的发展提供战略性基础支撑。

铌酸锂是一种人工晶体，它是一种铌、锂、氧的化合物半导体材料，铌酸锂是目前发现的居里温度最高的铁电体，也是综合光学性能最好的一种晶体。铌酸锂材料被人称为光子时代的“光学硅”材料，被广泛的应用于高性能滤波器、电光器件、全息存储、3D 全息显示、非线性光学器件、光量子通信等方面。作为集成光子系统的重要组成部分，基于铌酸锂薄膜的激光器和放大器研发也取得了一系列振奋人心的突破与进展。

基于LNOI的光源和放大器研究领域

该文章总结了三种将稀土元素掺杂到铌酸锂晶体中的方案。第一种是用直拉法生长LN晶体时加入稀土氧化物进行掺杂，得到离子浓度均匀的LN单晶；第二种方法是热扩散法，主要通过稀土离子层的真空沉积，然后通过高温扩散进行选择性掺杂，由于稀土元素的扩散速率低，扩散温度必须接近LN的居里温度，需要扩散时间长达41h，扩散时间还取决于LN衬底的晶相；第三种方法是通过离子注入用稀土元素掺杂LN晶体，在室温下，离子通过范德格拉夫加速器或晶体管加速器加速到百万电子伏特能量，并植入LN晶体中。

稀土离子掺杂铌酸锂晶体的方法及其对应的浓度分布示意图

以上三种掺杂方法都是经过长期发展后相对成熟的技术，但它们也有其优点和缺点。例如，与扩散和离子注入掺杂相比，晶体生长掺杂可以获得高掺杂浓度和更均匀的离子分布，因此在实现高功率和低传输损耗激光器和放大器方面具有广阔的前景。

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紧接着，文中分析了WGMs微激光器的阈值和转换效率等重要参数，并在此基础上，介绍了稀土元素掺杂LNOI平台上微盘、微环和单模激光器的研究进展。同时，综述了稀土元素掺杂LNOI放大器的研究，还讨论了当前光泵浦激光器和放大器的局限性和改进措施。

另一方面，在LNOI电泵浦III-V族激光器和放大器部分，详细介绍了将III-V族增益材料引入当前集成光子学平台的几种主流机制，即混合集成、异质集成和微转印打印，综述了LNOI电泵浦III-V族激光器及放大器的研究进展。在此基础上，深入探讨了目前实现电泵浦激光器和放大器的限制和改进方案，然后讨论了实现LNOI激光器和放大器的两种途径的优缺点。最后，作者设想了基于LNOI的光源与其他基于器件的优秀LN薄膜平台相结合的应用场景，如传感、变频和片上光通信。