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超强激光科学卓越创新简报

(第三百七十四期)

2023年3月27日

上海光机所在铌酸锂光子芯片有源无源集成研究方面取得新进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队在铌酸锂薄膜有源无源的同片集成方面取得进展，相关成果以“Monolithically integrated active passive waveguide array fabricated on thin film lithium niobate using a single continuous photolithography process”为题发表在Laser & Photonics Reviews上，并入选当期卷首插图。该成果由上海光机所强场激光物理国家重点实验室和华东师范大学合作完成，实现了耦合损耗仅有0.26 dB的稳定的铌酸锂光学芯片的有源无源集成。

　　单晶铌酸锂(LN)具有宽的透明窗口、较高的折射率以及较大的声光、非线性和电光系数，是一种极具吸引力的光子材料。将大块LN晶体转化为薄膜铌酸锂(TFLN)，进一步使制备高性能集成光子器件成为可能，可用于经典和量子应用，如低损耗波导、高质量微谐振器、高速调制器和高效光变频器等。为了实现集成有源光子器件，掺铒铌酸锂薄膜最近被用于演示微腔激光器、波导放大器、量子发射器。然而，由于难以实现高精度对准、低损耗接口和可靠的键合，在掺杂稀土离子的铌酸锂薄膜上制备的有源器件与单晶铌酸锂薄膜上的无源光子器件的单片集成之前一直没有实现。在这项工作中，该研究团队首次展示了一个鲁棒的低损耗的铌酸锂光子学接口，通过拼接有源和无源铌酸锂得到集成样品，随后，对集成器件的掩模进行单次连续光刻工艺，然后进行化学机械抛光，将掩模图案转移到TFLN衬底，实现单片集成有源无源波导阵列的制备。

　　该研究通过拼接单晶和掺铒的铌酸锂薄膜衬底，采用单一连续光刻工艺，实现了在拼接处有0.26 dB的耦合损耗的单片集成薄膜样品。此外，研究团队还制备了一个四通道波导放大器阵列，在1550nm波长和1530nm波长，每根掺铒波导的净增益分别为5 dB和8 dB。拼接无源和有源铌酸锂薄膜基板形成低损耗的光接口，实现无源和有源TFLN光子学的单片集成，集成后具有结构可任意设计，尺寸可调的特点，能够实现按需集成，获得实用化的铌酸锂光子集成芯片，这对于构建全功能铌酸锂光子回路具有重要意义，很大程度促进需要片上光源和放大器的大规模高性能光子器件的发展。该方法具有高可扩展性、高可靠性、高生产速率和高成本效益的优点。

　　相关研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、上海市科学技术委员会资助项目等项目支持。

　　原文链接

图1 单片集成有源无源波导阵列制备流程

图2 (a)四通道波导放大器阵列(CTL:连续可调谐激光器;PC:极化控制器;波分复用器;OSA:光学光谱分析仪)。(b) 980nm二极管激光泵浦四通道波导放大器阵列的照片。四种掺铒LN波导阵列在(c) 1550 nm和(d) 1530 nm信号波长下的增益特性

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