Als aanvulling op op silicium gebaseerde fotonische chips, lithiumniobaat dunne film (LNOI) is een onderzoekshotspot geworden op het gebied van opto-elektronische integratie vanwege zijn uitstekende niet-lineaire, elektro-optisch, akoestisch-optisch, piëzo-elektrische en andere fysische eigenschappen. On-chip geïntegreerde frequentievermenigvuldigers, modulatoren, en filters op basis van lithiumniobaat dunne films zijn ontwikkeld, maar de on-chip geïntegreerde lichtbron voor communicatieband moet nog steeds dringend worden ontwikkeld. Onlangs, onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong University rapporteerden voor het eerst publiekelijk dat ze ontworpen, gefabriceerd, en realiseerde de laseroutput van een microholte op een lithiumniobaatchip op een zelfontwikkelde met erbium gedoteerde LNOI.

De microdisk-resonator in de fluistergalerijmodus heeft een klein formaat en een hoge kwaliteitsfactor. Door een geschikte pompbron te selecteren en de LNOI-microdisk zorgvuldig te ontwerpen en te fabriceren, de geïntegreerde lithiumniobaat on-chip C-band lasers output is bereikt. De onderzoeksresultaten waren getiteld "On-chip Erbium-doped lithium niobate microcavity laser" en gepubliceerd op 30 oktober, 2020, in Wetenschap China Natuurkunde, Mechanica en astronomie als het omslagartikel van Volume 64, Nummer 3. Professoren Yuping Chen en Xianfeng Chen van de Shanghai Jiao Tong University zijn de corresponderende auteurs.

Zoals we allemaal weten, het energieniveausysteem van zeldzame aarde-erbiumionen kan voldoen aan de voorwaarden van laserstraling in de communicatieband. Eerder, lasers en versterkers gedoteerd met zeldzame-aarde-ionen konden alleen effectief worden gerealiseerd en toegepast in optische vezels en silicafilms. Tot dusver, er zijn slechts enkele onderzoeksrapporten over met erbium gedoteerde lithiumniobaat dunne films, en de fluorescentie-output is alleen verkrijgbaar bij lage doteringsconcentraties maar met een slechte uniformiteit door ionenimplantatie en thermische diffusiemethoden.

Bij het ontdekken van deze problemen in de afgelopen twee jaar, onderzoekers verlieten ionenimplantatie en thermische diffusiemethoden, en koos ervoor om erbiumionen te dopen tijdens de groei van lithiumniobaatkristallen, gericht op het oplossen van de problemen van met erbium gedoteerde lithiumniobaatconcentratie en uniformiteit. Als resultaat, lithiumniobaat dunne films werden gemaakt via het smart-cut-proces. Deze processen werden voltooid door samenwerking met Shanghai Daheng Optical and Fine Mechanics Co., Ltd en Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.. De met erbium gedoteerde lithiumniobaatfilm die met deze methode is vervaardigd, heeft een uniforme verdeling van erbiumionen en voldoet aan de ontwikkelingsvereisten van on-chip lasers.

Vervolgens, de onderzoekers gebruikten een etsmethode met gefocusseerde ionenstraal (FIB) om een ​​microschijfresonator te fabriceren op een 600 nm dikke Z-cut erbium-gedoteerde lithiumniobaatfilm. Het pomplicht in 980 nm en 1480 nm band werd gebruikt en gekoppeld via een taps toelopende vezel. De laseroutput in de communicatieband was duidelijk onder deze twee pompen.

Dit onderzoeksresultaat realiseert de geïntegreerde lichtbron in de communicatieband van de lithiumniobaatchip, wat van groot belang is voor de efficiënte integratie van de on-chip lichtbron en verschillende functionele apparaten van het lithiumniobaat dunne filmmateriaal in de toekomst.