掺Er3+的LiTaO3在绝缘体上的光谱特性及相关波导的1.5 μm放大特性

《Journal of Luminescence》：Spectroscopic properties of Er3+-doped LiTaO3-on-Insulator and 1.5 μm amplification characteristics of relevant waveguide

稀土掺杂LiTaO3薄膜光放大特性及波导设计研究，采用智能切割法制备Er掺杂LTOI薄膜，测试1.5μm波段光谱与荧光寿命，建立准两能级模型理论框架，数值模拟显示9cm长波导实现15.7dB饱和增益，2.0mol%掺杂预测达44.5dB，阈值泵功率亚毫瓦级且偏振 insensitive。

　　

作者：李舒|张德龙|郝俊华

单位：天津大学精密仪器与光电工程学院光电子与信息工程系，光电信息技术国家重点实验室（教育部），中国天津300072

摘要

LiTaO₃（LT）单晶具有优异的光学性能。在绝缘体（LTOI）薄膜上掺杂稀土元素的LT材料，对于超紧凑型片上主动光子器件具有很大的潜力。本文报道了Er³⁺掺杂的LTOI（Er:LTOI）薄膜的制备方法及其光谱特性，以及基于该薄膜的光波导在1.5 μm波长的放大特性。Er(0.5 mol%):LTOI薄膜是通过智能切割技术制备的，即对均匀掺杂了Er³⁺的LT晶片进行晶体离子切割。测量了Er:LTOI薄膜中Er³⁺在1.5 μm波长的发光光谱和寿命。根据这些测量数据及McCumber关系式，计算出了Er³⁺的发射和吸收截面光谱。基于Er³⁺系统的准双能级模型，数值研究了在1480 nm泵浦波长下Er:LTOI波导中的1.5 μm放大特性。结果表明，对于长度为9 cm的Er(0.5 mol%):LTOI波导，可以实现15.7 dB的片上饱和增益；当Er³⁺掺杂浓度增加到2.0 mol%时，预测饱和增益可达44.5 dB。此外，Er:LTOI放大器具有极低的泵浦阈值功率（亚毫瓦级别），并且其增益对偏振不敏感。本研究表明，Er:LTOI是高密度集成光学中用于实现偏振不敏感的片上超紧凑型主动器件的理想材料平台。

引言

LiTaO₃（LT）和LiNbO₃（LN）具有相似的晶体结构、缺陷特性以及电光和非线性光学性质[1]、[2]、[3]。LT的某些性能优于LN：例如，LT的抗光折变损伤能力比LN高两个数量级[4]，且其光学各向异性较小，双折射率比LN低一个数量级[5]。近年来，LN在集成光子学领域得到了广泛研究，已经开发出许多高性能微光子器件，如电光调制器[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、微环[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、微盘谐振器[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、周期性极化非线性光学器件[23]、[24]、[25]、[26]、稀土掺杂光放大器和激光器[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]以及量子光子器件[36]、[37]、[38]。相比之下，基于LT的集成光子器件的研究相对较少。

在电信波段实现主动光放大是集成光子平台的一项关键能力。掺铒的LT（Er:LT）晶体是实现1.5 μm波段光放大的理想材料，这得益于Er³⁺在1.5 μm处的发射带能够覆盖C波段和L波段。过去几十年中，掺铒的LN（Er:LN）晶体的光放大特性受到了广泛关注。已经报道了传统的Er:LN波导[39]、[40]、[41]、[42]、[43]以及Er:LN在绝缘体上的波导放大器[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]。特别是，截面积小于1 μm²的Er:LN波导具有超紧凑的尺寸、高增益和低泵浦阈值功率，为高密度集成光学中的超紧凑型主动微光子器件提供了理想的材料平台。由于Er:LT与Er:LN的相似性，Er:LT在绝缘体上的版本（Er:LTOI）作为电信波段光放大的新材料，可能比Er:LN具有某些优势。

与Er:LN类似，LTOI也可以通过智能切割（晶体离子切割）技术制备，该技术最初是为硅在绝缘体上的结构（SOI）开发的[53]。在过去二十年里，硅光子学从学术研究迅速发展到电信及相关领域的广泛应用[54]、[55]。高质量的SOI晶片的可用性极大地促进了这一发展。利用相同的技术，近年来已经开发出多种基于LTOI的微光子器件[56]、[57]、[58]，显示出LTOI作为未来高效光通信系统材料平台的潜力。近年来，也报道了一些基于LTOI的结构[59]、[60]、[61]，研究表明LTOI比Er:LN具有更易于平面微制造的特性[61]，为基于LTOI平台的各种芯片级器件（尤其是用于片上光放大的稀土掺杂器件）的发展提供了可能。鉴于Er:LNOI波导出色的放大性能[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]以及LTOI的优势，预期可以制备出与Er:LNOI波导性能相当的偏振不敏感的Er:LTOI波导放大器。因此，系统研究Er:LTOI波导在1.5 μm波长的放大特性至关重要。本文的研究目的包括：

1. (1)制备一个三英寸的Er(0.5 mol%):LTOI晶片；
2. (2)测量Er:LTOI晶片在1.5 μm（⁴I_{13/2?⁴I15/2）发射的光谱和荧光寿命；}
3. (3)根据测量得到的光谱数据，计算Er:LTOI中Er³⁺在1.5 μm（⁴I_{13/2?⁴I15/2）跃迁的吸收和发射截面光谱；}
4. (4)基于1480 nm泵浦波长的Er³⁺系统的准双能级模型，建立Er:LTOI波导在1.5 μm波长的放大理论模型，数值研究其放大特性，并量化信号增益、最佳波导长度以及泵浦功率、输入信号功率和Er³⁺浓度对放大特性的影响；
5. (5)确定Er:LTOI波导相对于Er:LN波导的性能优势；
6. (6)为设计和优化超紧凑型高效Er:LTOI波导放大器提供理论指导。

其中，实验工作涉及目标(1)-(3)，包括Er:LTOI晶片的制备和Er³⁺的光谱表征；理论工作则涉及目标(4)，即建立1480 nm泵浦下Er:LTOI波导放大特性的理论模型并进行数值研究。

实验描述

为了制备Er:LTOI晶片，使用了通过传统Czochralski技术从单晶锭中生长出的、直径为3英寸、厚度为0.5毫米的光学抛光Er(0.5 mol%):LT单晶片作为初始材料。晶片的制备采用智能切割方法完成，该方法包括三个步骤：He⁺注入、晶体离子切割和晶片键合。晶片制备过程如图1所示。

薄膜Er:LTOI的光谱特性

图2展示了1450-1650 nm波长范围内薄膜Er(0.5 mol%):LTOI的σ-偏振（a）、π-偏振（b）和未偏振（c）发射光谱。这些光谱对应于Er³⁺的⁴I_13/2→⁴I_15/2电子跃迁。图3显示了薄膜Er:LTOI中⁴I_13/2→⁴I_{15/2电子跃迁的荧光强度随时间衰减的情况。根据测量得到的荧光光谱，计算出了σ-偏振、π-偏振和未偏振发射截面。}

结论

通过测量得到的发射光谱和荧光寿命，获得了采用智能切割技术制备的薄膜Er(0.5 mol%):LTOI中Er³⁺在1.5 μm波长的发射和吸收截面光谱。基于Er³⁺的准双能级模型，理论上证明了在1480 nm泵浦波长下Er:LTOI波导的1.5 μm片上放大特性。同时，还确定了信号增益与传播距离、泵浦功率、输入功率之间的定量关系。

作者贡献声明

张德龙：负责撰写、审稿与编辑、项目管理和资金争取。李舒：负责撰写初稿、数据收集与分析。郝俊华：负责审稿与编辑、项目管理和资金争取。

利益冲突声明

作者声明与目前提交的论文不存在利益冲突，也没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：61875148）和天津仁爱学院-天津大学教师发展基金合作项目（项目编号：FZ25006）的支持。