Forsker i erbium-doterede lithiumniobat-mikrohullasere på chip

Som et supplement til siliciumbaserede fotoniske chips, lithium niobate thin film (LNOI) er blevet et forskningshotspot inden for optoelektronisk integration på grund af dets enestående ikke-lineære, elektro-optisk, akusto-optisk, piezoelektriske og andre fysiske egenskaber. On-chip integrerede frekvensmultiplikatorer, modulatorer, og filtre baseret på lithiumniobat tyndfilm er blevet udviklet, men den integrerede lyskilde for kommunikationsbånd på chip er stadig i et presserende behov for udvikling. For nylig, forskere fra Shanghai Jiao Tong University rapporterede offentligt for første gang, at de har designet, fremstillet, og realiserede laseroutputtet fra et mikrohulrum på en lithiumniobat-chip på en selvudviklet erbium-doteret LNOI.

Mikrodiskresonatoren med hviskende galleritilstand har en lille størrelse og høj kvalitetsfaktor. Ved at vælge en passende pumpekilde og omhyggeligt designe og fremstille LNOI-mikrodisken, det integrerede lithium niobate on-chip C-bånd laser output er blevet opnået. Forskningsresultaterne fik titlen "On-chip Erbium-doped lithium niobate microcavity laser" og blev offentliggjort den 30. oktober, 2020, i Videnskab Kina Fysik, Mekanik og astronomi som omslagsartikel til bind 64, Udgave 3. Professorerne Yuping Chen og Xianfeng Chen fra Shanghai Jiao Tong University er de tilsvarende forfattere.

Som vi alle ved, energiniveausystemet af sjældne jordarters erbium-ioner kan opfylde betingelserne for laserstråling i kommunikationsbåndet. Tidligere har lasere og forstærkere doteret med sjældne jordarters ioner kunne kun effektivt realiseres og anvendes i optiske fibre og silicafilm. Indtil nu, der er kun få forskningsrapporter om erbium-dopet lithiumniobat tyndfilm, og fluorescensoutputtet kan kun opnås ved lave dopingkoncentrationer, men med dårlig ensartethed ved ionimplantation og termiske diffusionsmetoder.

Når man opdagede disse problemer i løbet af de sidste to år, forskere opgav ionimplantation og termiske diffusionsmetoder, og valgte at dope erbiumioner under væksten af ​​lithiumniobatkrystaller, sigter på at løse problemerne med erbium-doteret lithiumniobatkoncentration og ensartethed. Som resultat, tynde lithiumniobatfilm blev lavet via smart-cut-processen. Disse processer blev afsluttet gennem samarbejde med Shanghai Daheng Optical and Fine Mechanics Co., Ltd. og Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.. Den erbium-doterede lithiumniobatfilm fremstillet ved denne metode har en ensartet fordeling af erbiumioner og opfylder udviklingskravene for on-chip lasere.

Efterfølgende, forskerne brugte en fokuseret ionstråle (FIB) ætsningsmetode til at fremstille en mikrodiskresonator på en 600 nm tyk Z-skåret erbium-doteret lithiumniobatfilm. Pumpelyset i 980 nm og 1480 nm bånd blev brugt og koblet gennem en tilspidset fiber. Laseroutputtet i kommunikationsbåndet var tydeligt under disse to pumper.

Dette forskningsresultat realiserer den integrerede lyskilde i kommunikationsbåndet af lithium niobat-chippen, hvilket er af stor betydning for den effektive integration af on-chip lyskilden og forskellige funktionelle enheder af lithium niobat tyndfilmmaterialet i fremtiden.