Тонкопленочный ниобат лития (TFLN) — это материал с выдающимися электрооптическими и нелинейными свойствами, идеальный для фотонных микросхем. За последние два года несколько научных групп представили усилители сигнала на основе волноводов из ниобата лития, легированного эрбием. Но из-за сильного несоответствия показателей преломления и формы светового поля между такими волноводами и обычными оптическими волокнами потери на стыке были настолько велики, что итоговое усиление сигнала (уже после прохождения через чип) оказывалось мизерным или даже отрицательным. Это серьезно мешало практическому применению технологии.

Группа профессора Я Ченга из Восточно-Китайского педагогического университета нашла решение: они использовали специальный преобразователь модового поля на стыке волновода и волокна, что позволило добиться рекордного усиления сигнала. Их работа опубликована в журнале Opto-Electronic Science.

Как это работает

Чтобы свет эффективно переходил из волокна в тонкий ниобат-литиевый волновод, ученые применили комбинацию сужающихся (конусных) волноводов и покрытия из оксинитрида кремния (SiON). Плавное изменение геометрии позволило преобразовать световое поле из субмикронного слоя ниобата лития в более толстый (3 мкм) SiON-волновод, который уже хорошо стыкуется с высокоапертурным оптическим волокном.

Результаты:

• КПД стыковки превысил 75% (потери всего -1.2 дБ на один торец).
• Это в семь раз лучше, чем при стандартной полировке торцов.
• В 5.5-сантиметровом легированном эрбием волноводе добились усиления >15 дБ на чипе и >10 дБ «сквозного» усиления (уже с учетом потерь на ввод/вывод).
• Уровень шума — всего 6.8 дБ.
• Максимальная мощность усиленного сигнала на выходе из волокна достигла 20 мВт.

Кроме того, ученые показали, как такой усилитель можно использовать в лазере: добавив внешнее волоконное брэгговское зеркало, они создали лазер с узкой линией излучения и выходной мощностью 2.1 мВт.

Команда профессора Ченга уже много лет развивает технологии ультрабыстрой лазерной нанообработки, включая прямое лазерное письмо волноводов, 3D-печать электродов и создание фотонных чипов.

Главное преимущество этой работы — практичность. Высокое усиление при низких потерях означает, что такие чипы можно интегрировать в реальные фотонные системы уже сейчас, а не в отдаленном будущем. Например:

• Телекоммуникации: компактные усилители для магистральных линий связи.
• Квантовые технологии: стабильные источники света для квантовых вычислений.
• Лазерные системы: миниатюрные лазеры с точной настройкой для медицины или датчиков.

Особенно важно, что решена проблема стыковки с волокнами — основной камень преткновения в интегральной фотонике.

Хотя результаты впечатляют, остается вопрос долговечности. Ниобат лития чувствителен к фотоповреждению, особенно при высоких мощностях. В статье нет данных о деградации усилителя после длительной работы. Если ресурс окажется небольшим, это сведет на нет все преимущества.

Ранее ученые разработали нанолазер, меняющий цвет подобно хамелеону.