Som ett komplement till kiselbaserade fotoniska chips, litiumniobat tunnfilm (LNOI) har blivit en forskningshotspot inom området optoelektronisk integration på grund av dess enastående olinjära, elektrooptisk, akusto-optisk, piezoelektriska och andra fysikaliska egenskaper. On-chip integrerade frekvensmultiplikatorer, modulatorer, och filter baserade på litiumniobat tunna filmer har utvecklats, men den integrerade ljuskällan för kommunikationsbandet på chip är fortfarande i akut behov av utveckling. Nyligen, forskare från Shanghai Jiao Tong University rapporterade offentligt för första gången att de designade, tillverkade, och realiserade laserutgången från en mikrokavitet på ett litiumniobatchip på en egenutvecklad erbiumdopad LNOI.

Mikrodiskresonatorn med viskande galleriläge har liten storlek och hög kvalitetsfaktor. Genom att välja en lämplig pumpkälla och noggrant designa och tillverka LNOI-mikrodisken, den integrerade litiumniobat på chip C-band lasrar output har uppnåtts. Forskningsresultaten fick titeln "On-chip Erbium-doped lithium niobate microcavity laser" och publicerades den 30 oktober, 2020, i Science China Physics, Mekanik och astronomi som omslagsartikel till volym 64, Fråga 3. Professorerna Yuping Chen och Xianfeng Chen från Shanghai Jiao Tong University är motsvarande författare.

Som vi alla vet, energinivåsystemet för sällsynta jordartsmetallerbiumjoner kan uppfylla villkoren för laserstrålning i kommunikationsbandet. Tidigare, lasrar och förstärkare dopade med sällsynta jordartsjoner kunde bara realiseras effektivt och appliceras i optiska fibrer och kiseldioxidfilmer. Än så länge, det finns bara ett fåtal forskningsrapporter om erbiumdopade tunna filmer av litiumniobat, och fluorescenseffekten kan endast erhållas vid låga dopningskoncentrationer men med dålig likformighet genom jonimplantation och termiska diffusionsmetoder.

När man upptäckt dessa problem under de senaste två åren, forskare övergav jonimplantation och termiska diffusionsmetoder, och valde att dopa erbiumjoner under tillväxten av litiumniobatkristaller, som syftar till att lösa problemen med erbiumdopad litiumniobatkoncentration och enhetlighet. Som ett resultat, litiumniobat tunna filmer gjordes via smart-cut-processen. Dessa processer slutfördes genom samarbete med Shanghai Daheng Optical and Fine Mechanics Co., Ltd. och Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.. Den erbiumdopade litiumniobatfilmen framställd med denna metod har en enhetlig fördelning av erbiumjoner och uppfyller utvecklingskraven för on-chip-lasrar.

Senare, forskarna använde en etsningsmetod för fokuserad jonstråle (FIB) för att tillverka en mikrodiskresonator på en 600 nm tjock Z-skuren erbiumdopad litiumniobatfilm. Pumpljuset i 980 nm och 1480 nm band användes och kopplades genom en avsmalnande fiber. Laserutgången i kommunikationsbandet var uppenbar under dessa två pumpar.

Detta forskningsresultat inser den integrerade ljuskällan i litiumniobatchipsets kommunikationsband, vilket är av stor betydelse för den effektiva integrationen av on-chip-ljuskällan och olika funktionella enheter av tunnfilmsmaterialet litiumniobat i framtiden.