据中国激光杂志社网，于2024年11月13日报道，稀土元素铒是自然界送给光通信的礼物。掺铒光纤放大器（EDFA）是被广泛应用的光放大器件，极大地推动了现代光通信的蓬勃发展。参照EDFA的发展路线，片上集成的掺稀土元素波导放大器技术可认为是解决芯片级增益和激光产生瓶颈的有效途径。

《激光与光电子学进展》于2024年第19期推出创刊六十周年系列专题之“光子集成芯片”，上海交通大学吴侃教授团队发表“基于掺铒铌酸锂薄膜的集成波导放大器”，开发了基于掺铒铌酸锂薄膜的集成波导放大器，以满足大规模光电子集成芯片以及卫星激光通信等系统对紧凑、高效光放大器的需求，同时探索了片上增益理论并开展实验验证。

1 研究背景

掺稀土元素的光放大器与激光器的问世可以追溯到20世纪，如图1。由于稀土元素铒的发光光谱恰好与光纤的超低损耗窗口C波段对应，掺铒光纤放大器（EDFA）成为了大容量、长距离的光纤通信网络中的重要功能器件。进入21世纪，随着信息传输中日益增长的带宽及能耗需求，集成光电子芯片的研究蓬勃发展，但作为核心问题的片上光放大器和激光器的技术方案仍处在多元但不够成熟的状态。借鉴EDFA的成功经验，低损耗的掺稀土波导放大器将是突破芯片级光传输增益瓶颈的有效途径。

目前，国际上以掺铒铌酸锂（Er: LNOI）、掺铒氮化硅、掺铒氧化铝、掺铥氧化铝等薄膜平台为代表，科研人员已开发出高性能的片上光放大器和可调谐激光器。相比其他基质材料平台，Er: LNOI平台的主要优势在于可以兼具优越的电光特性、非线性及增益特性等，具备实现单片集成复杂系统的潜力。目前，基于Er: LNOI平台的掺铒波导放大器（EDWA）已验证可实现较为高效的片上增益。此外，结合铌酸锂的电光特性，已在Er: LNOI平台验证实现片上集成的电光调谐激光器等。

2 研究内容与亮点

该研究建立了基于Er: LNOI平台的EDWA的铒离子跃迁的能级理论模型，对不同参数作用下的EDWA增益效果进行了仿真预估。通过增益模型可知：（1）在EDWA的应用中可采用1480 nm泵浦光源，其主要优势在于可以实现更低的芯片耦合损耗和更好的泵浦-信号光模场交叠。（2）在设计掺铒铌酸锂波导放大器时，需要结合波导损耗水平来设计最佳的波导长度。（3）宽波导单模低损耗传输是制备高饱和输出功率波导放大器的关键技术。

随后以实现低损耗掺铒波导为目的，开展了掺铒波导的工艺制备（图2）及损耗表征的研究。通过电子束光刻（EBL）结合干法刻蚀的工艺可制备LN波导，波导粗糙导致的传播损耗最低为0.18 dB/cm；铒离子引入的吸收损耗是一个会直接受到输入光波长和功率影响的量。以本文的EDWA为例，当输入功率小于-20 dBm时，铒的吸收损耗会无限接近铒掺杂带来的材料本征损耗；当输入功率大于0 dBm时，铒的吸收损耗会趋于饱和，即大信号功率时可基本接近铒掺杂导致的固有吸收损耗部分。对吸收损耗的表征会直接影响到净增益表征的准确性。

结合了实验测试的信号增强（图3）、损耗表征及增益理论模型，开展了对4.16 cm和10 cm的EDWA的净增益表征。当输入10 cm EDWA的信号光波长为1531 nm、片上光功率为-15 dBm时，在1484 nm双向泵浦作用下，信号增强的数值可达62.76 dB。-15 dBm功率的输入信号对应的吸收系数为3.87 dB/cm，结合波导粗糙导致的损耗约为0.18 dB/cm，可知信号净增益为22.26 dB。此处对信号净增益的表征同时结合了实验测试数据、吸收系数表征、增益理论模型三者，互相印证了准确性。

3 总结与展望

基于Er: LNOI平台的EDWA，是利用铒的发光能力实现光信号放大和激光发射的片上光子器件，具有高集成度、高效增益、低噪声等潜力。吴侃教授团队近期正在开展片上多波长信号放大器的应用研究，有望应用于高速长距离通信、大规模数据中心、雷达、成像等领域，将为未来信息社会的需求提供重要支持。

作者介绍

蔡明璐，上海交通大学电子系博士研究生。主要研究方向：集成光电子、掺铒波导放大器。

吴侃，上海交通大学电子系教授，博士生导师，优青。主要研究方向：光电子系统与集成器件、片上集成光源、掺铒波导放大器、微腔非线性动力学和集成激光雷达等。发表论文包括Photonics Research，Light: Science and Applications, Nature Communications, Optica等，总引用4000余次，多篇论文入选ESI热点论文和/或ESI高被引论文。

陈建平，上海交通大学电子系教授，特聘教授/博士生导师。主要研究方向：光子信息处理器件、系统和应用研究。负责承担/完成国家科技部973计划项目（首席科学家）、863计划项目、重点研发任务，国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目和仪器专项，**863计划项目，上海市重大专项等项目。