一种基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器及制备方法

本发明涉及集成光学领域，尤其涉及一种基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器及制备方法。

背景技术：

1、光放大器件是长远距离光通信系统中不可或缺的一部分，是当今世界范围内广域光通信网络的基石。上世界80年代掺铒光纤放大器(edfa)的发明使得长远距离光通信成为可能，深刻影响了信息传输方式。铒离子的性质非常适用于光纤通信领域，因为它的自发辐射光谱为通信波长1550纳米处的一个宽带，能够为光信号提供稳定、低噪声的增益。

2、当今使用的各种光放大器有掺铒光纤放大器(edfa)、光纤拉曼放大器、光纤布里渊放大器、半导体光放大器(soa)、光参量放大器(opa)等，其中掺铒光纤放大器具有高增益、低噪声、宽增益带宽等优点，但是需要10-100米的光纤长度，导致其器件尺寸较大，不利于小型化和集成化，且光纤色散和非线性效应无法避免；半导体光放大器的功耗低且易于集成化，但是具有偏振敏感性，噪声系数大，稳定性也较差，不能长时间连续工作，限制了其使用场景。拉曼、布里渊和光参量放大器根据非线性光学原理实现光放大，对泵浦光的相干性要求高。只有在相位匹配条件下才能得到高效的增益。其中拉曼和布里渊激光器仍需要较长的光纤才能实现，而光参量放大需要很强的泵浦光，因此他们的小型化同样受到很多限制，集成化的适用场景有限。

3、近年来，铌酸锂作为“光学硅”材料吸引了广泛关注，铌酸锂具有宽的透明窗、良好的非线性、电光/声光特性以及压电效应，是目前综合性能最好的材料之一。而绝缘体上铌酸锂(lnoi)不仅拥有铌酸锂材料优良的物理性质，还能够将光斑模式限制在极小的微纳米尺度，通过在lnoi中掺杂铒离子，能够将铒离子良好的增益效果和基于lnoi平台的集成化低损耗波导结合起来。因此，基于掺铒绝缘体上铌酸锂(erbium doped lithium niobateon insulator,er:lnoi)平台的波导光放大器具有巨大潜力，可以实现高的单位长度净增益，从而实现高效的掺铒波导光放大器(edwa)。对于实现稳定、低噪声的集成化放大器件有很重要的意义。

4、目前lnoi平台上研究较多的波导放大器是基于掺铒纳米薄膜铌酸锂(erbiumdoped thin film lithium niobate,er:tfln)的纳米波导光放大器。但是纳米波导与标准单模光纤之间的模式失配大，不可避免地带来较高的耦合损耗，不利于泵浦光输入和信号光输出，器件整体插损较高，限制了其作为器件的使用场景。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何制备得到一种基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器以解决波导与标准单模光纤之间的模式失配大，插损较高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，包括衬底层、二氧化硅缓冲层、掺铒薄膜铌酸锂器件层，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层、所述二氧化硅缓冲层以及所述衬底层依次层叠，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层设置有脊型波导，所述脊型波导的高度和宽度都是微米级别。

3、进一步地，所述脊型波导的宽度为2微米-10微米，所述脊型波导中光以基模模式传播。

4、进一步地，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层的厚度值为3微米，所述二氧化硅缓冲层的厚度为2微米，所述衬底层的厚度为0.5毫米。

5、进一步地，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层的切向是x切或z切。

6、进一步地，所述衬底层的材料为铌酸锂、硅和石英中的任意一种。

7、进一步地，所述脊型波导长度为1厘米-20厘米。

8、本发明还提供了一种制备基于掺杂绝缘体上铌酸锂微米波导的光放大器的方法，具体包括以下步骤：

9、步骤1、在衬底层表面沉积一层二氧化硅缓冲层；

10、步骤2、在铌酸锂中掺杂预定浓度铒离子；通过晶体键合技术，将掺铒薄膜铌酸锂器件层键合到所述二氧化硅缓冲层上，再通过化学机械抛光的方法，使所述掺铒薄膜铌酸锂器件层达到预设厚度；

11、步骤3、通过紫外光刻在掺铒薄膜铌酸锂器件层形成波导图形，再结合铌酸锂深度干法刻蚀工艺制备出脊型波导结构。

12、步骤4、脊型波导的两个端面进行抛光处理；通过透镜光纤或者高数值孔径光纤进行输入输出光耦合；最后通过器件封装，实现基于掺铒薄膜铌酸锂微米级波导的光放大器edwa。

13、进一步地，步骤2中，所述在铌酸锂中掺杂预定浓度铒离子，所述预定浓度为大于0.1％摩尔。

14、进一步地，步骤2中，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层，所述预设厚度为3微米

15、进一步地，步骤4中，所述透镜光纤的纤芯大于波导尺寸，所述透镜光纤的聚焦光斑与所述脊型波导的模式相匹配。

16、本发明的有益效果：

17、1.本发明提供的基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，有效地解决了同类纳米波导光放大器中耦合效率低、器件插损高、输出功率和饱和功率低的困难，拓展了实际使用场景。

18、2.本发明提出的使用微米级绝缘体上铌酸锂，具有更高的增益，与光纤直接兼容，且可与微米级绝缘体上铌酸锂器件集成，实现更广泛的应用前景。

19、3.波导芯片长度更短，尺寸更小，封装后的ewda器件尺寸小。

20、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，其特征在于，包括衬底层、二氧化硅缓冲层、掺铒薄膜铌酸锂器件层，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层、所述二氧化硅缓冲层以及所述衬底层依次层叠，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层设置有脊型波导，所述脊型波导的高度和宽度均为微米级别。

2.如权利要求1所述的基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，其特征在于，所述脊型波导的宽度为2微米-10微米，所述脊型波导中光以基模模式传播。

3.如权利要求2所述的基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，其特征在于，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层的厚度为3微米，所述二氧化硅缓冲层的厚度为2微米，所述衬底层的厚度为0.5毫米。

4.如权利要求3所述的基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，其特征在于，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层的切向是x切或z切。

5.如权利要求4所述的基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，其特征在于，所述衬底层的材料为铌酸锂、硅和石英中的任意一种。

6.如权利要求5所述的基于子掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，其特征在于，所述脊型波导长度为1厘米-20厘米。

7.一种制备基于掺杂绝缘体上铌酸锂微米波导的光放大器的方法，其特征在于，制备如权利要求1所述的光放大器，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的制备基于掺杂绝缘体上铌酸锂微米波导的光放大器的方法，其特征在于，步骤2中，所述在铌酸锂中掺杂预定浓度铒离子，所述预定浓度为大于0.1％摩尔。

9.如权利要求8所述的制备基于掺杂的绝缘体上铌酸锂微米波导的光放大器的方法，其特征在于，步骤2中，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层的预设厚度为3微米。

10.如权利要求9所述的制备基于掺杂的绝缘体上铌酸锂微米波导的光放大器的方法，其特征在于，步骤4中，所述透镜光纤的纤芯大于波导尺寸，所述透镜光纤的聚焦光斑与所述脊型波导的模式相匹配。

技术总结本发明涉及集成光学领域，公开了一种基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，包括衬底层、二氧化硅缓冲层、掺铒薄膜铌酸锂器件层，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层、所述二氧化硅缓冲层以及所述衬底层依次层叠，所述掺铒薄膜铌酸锂器件层设置有脊型波导结构，所述脊型波导的高度和宽度均为微米级别。本发明还公开了制备基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器的方法。本发明提供的基于掺杂绝缘体上铌酸锂波导的光放大器，有效地解决了同类纳米波导光放大器中耦合效率低、器件插损高、输出功率和饱和功率低的困难，且具有更高的增益，与光纤直接兼容，可与微米级绝缘体上铌酸锂器件集成，波导芯片长度更短，封装后的器件尺寸小，实现更广泛的应用前景。技术研发人员：薛啸天,刘时杰,黎浩,郑远林,陈险峰受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16