
【国内论文】宁波大学:不同泵浦与信号方案对铒掺杂Ga₂O₃波导放大性能的影响
日期:2025-10-16阅读:12
由宁波大学的研究团队在学术期刊 Optics Express 发布了一篇名为 Impact of different pumping and signal schemes on amplification performance of erbium-doped Ga2O3 waveguides(不同泵浦与信号方案对铒掺杂 Ga2O3 波导放大性能的影响)的文章。
项目支持
本研究得到中国国家自然科学基金资助(项目编号:62475126)。
背 景
现代光纤通信对高速、大容量数据传输的需求推动了光放大器的发展,以补偿信号传输中的固有损耗。掺铒光纤放大器(EDFA)利用铒离子在光通信波段的受激发射实现信号放大,已广泛应用于现有商业网络。随着现代通信网络的发展,掺铒波导放大器(EDWA)因其小型化、低功耗及单片集成能力,成为未来光子器件的首选,适用于数据通信、接入网和相干模块等需要微型化和复杂功能的应用。掺铒光波导放大器的基质材料通常需要在通信波段高透光、高铒离子溶解度和低声子能量。目前已有多种材料被研究和应用,包括 Si3N4、LiNbO3、Al2O3、Ta2O6 等,通过离子注入或芯片键合实现信号增益,但这些方法制备复杂,不利于大规模工业化生产。氧化镓(Ga2O3)作为第四代半导体,具有从紫外到中红外范围的优异透光性、高折射率(∼1.9)、良好的铒离子溶解能力及易加工性,使其成为低成本、可大规模制造的掺铒波导放大器材料。此前研究已在 Er3+:Ga2O3 波导中实现了1545 nm波长下约2.1 dB/cm 的片上增益,验证了其可行性。然而,不同泵浦方案(单向或双向)及信号源类型对放大性能的系统比较尚缺乏。
主要内容
采用模态解法模拟优化波导结构,以增强光与稀土离子的相互作用。随后,制备了结构优化后的 Er3+:Ga2O3 波导。通过双向 980 nm 泵浦,使用超连续光源或单波长激光作为信号源,对波导的光学增益性能进行了表征。对于长度为 0.5 cm 的波导,在信号功率为 -32.4 dBm、泵浦功率为 59.4 mW 的条件下,使用单波长信号源在 1545 nm 处获得净增益 14.4 dB/cm。最大内部净增益在信号功率低至 -42 dBm 时可达 23.2 dB/cm,展示了非晶氧化镓薄膜作为波导放大器增益介质的潜力。
结 论
本研究设计了一种由 Ta2O5 和 Er3+:Ga2O3 组成的双层波导结构。通过模拟光场与稀土增益层的重叠因子,对波导结构进行了优化。随后制备了相应的薄膜和波导。在一条在 1310 nm 下传播损耗为 2.5 dB/cm 的波导中,测量了不同泵浦方式和信号光下的放大性能。在一条 0.5 cm 长的波导中,采用双向泵浦并使用超连续光信号源(-32.2 dBm),在 1545 nm 实现了 7.2 dB/cm 的片上净增益;而采用单波长激光信号源(-32.4 dBm)时,该增益提高至 14.4 dB/cm。与早期单向泵浦结果相比,双向泵浦显著增强了波导增益,并且使用单波长信号源可以获得更高增益。值得注意的是,在低单波长输入信号功率 -42 dBm、发射泵浦功率 59.4 mW 条件下,片上净增益的最大值可达 23.2 dB/cm。这些结果验证了非晶氧化镓薄膜作为光波导放大器增益材料的潜力。

图 1. (a) 波导宽度变化下重叠因子的演变;(b) 腐蚀深度变化下重叠因子的演变;(c) Er3+:Ga2O3 厚度变化下重叠因子的演变;(d) 980 nm 下的光场分布;(e) 1550 nm 下的光场分布。

图 2. (a) Er3+:Ga2O3 双层波导光放大器制备工艺;(b) 器件的三维示意图;(c) 波导的 SEM 横截面图。

图 3. 波导放大器的双向泵浦测量装置。
DOI:
doi.org/10.1364/OE.573078