光放大器作为全球光波通信网络的核心组件，其小型化和集成化一直是人们梦寐以求的目标。近二十年来，随着集成光子学的快速发展，科学家们利用集成光波导不断构建低功耗和高稳定性的光放大器。但受限于基底材料和导波模式，集成光波导放大器相比于发展成熟的光纤放大器在输出性能上还有待提升。铌酸锂晶体具有诸如宽的光学透明窗口、高的非线性系数、高的折射率和大的电光效应等一系列优点，又得益于绝缘体上铌酸锂薄膜的产业化，使其已经成为光子集成衬底材料的重要候选者，并被称为“光子学中的硅”。华东师范大学程亚教授团队近期利用飞秒激光加工结合化学机械抛光，在掺铒铌酸锂单晶薄膜中制备了集成光波导放大器，并利用外加包层优化控制铌酸锂波导模场，实现了高增益输出。研究人员利用自主发展的飞秒激光加工结合化学机械抛光方案，在掺铒铌酸锂单晶薄膜中制备了表面和侧壁高度光滑的光波导，其主要工艺流程如图1所示：首先在铌酸锂薄膜表面镀金属饹膜，然后利用聚焦的飞秒激光烧蚀铬膜形成掩膜图案，再利用化学机械抛光将铬掩膜图案转移到铌酸锂薄膜中，经过铬膜去除和二次化学机械抛光，最终形成具有光学级表面光滑度的铌酸锂光子结构。随后在铌酸锂光波导表面覆盖一层氧化钽薄膜作为包层，优化控制铌酸锂导波模场结构。实验中利用两台中心波长为976 nm的半导体激光器，沿铌酸锂波导两端同时泵浦，可以清晰地观测到铒离子激发态上转换过程产生的绿色荧光。通过测量所制备铌酸锂波导放大器的增益性能，发现带有氧化钽包层的波导比不带包层的波导增益性能更好，这一现象也被基于导波模场分布和铒离子稳态响应的理论模型所解释，证实通过包层优化控制模场分布，降低铒离子猝灭效应的不利影响，最终实现带包层铌酸锂波导中超过20 dB的小信号增益放大。该工作有望推动有源铌酸锂薄膜器件在高速光通信、大数据中心和激光雷达等领域的应用，相关结果在线发表在Nanophotonics上。

图1.  (a) 铌酸锂波导放大器示意图  (b).  铌酸锂薄膜波导加工流程。

图2.  掺铒铌酸锂波导放大器实验表征结果。(a)-(b)为所制备铌酸锂波导的顶视光学显微图像和横截面扫描电镜图像。(c)为波导放大器双向泵浦时的实景照片。(d)-(e)为实验测得波导放大器的增益响应曲线。