"光子学革命的发源地很可能以铌酸锂命名，就像电子革命以硅材料命名一样。作为我国新材料和光芯片的关键要素，被称为“光学硅”的铌酸锂晶体在光子时代扮演着重要角色，为集成光子学的发展提供了战略性基础支撑。

铌酸锂具有出色的光电特性，作为一种集成光子平台，受到广泛关注。在此基础上，各种功能光子器件，如电光调制器和非线性波长转换器，已经展现出令人瞩目的性能。与此同时，基于铌酸锂薄膜的激光器和放大器作为集成光子系统的重要组成部分，也取得了一系列令人振奋的突破和进展。

图1   硅材料和铌  酸  锂引领的科学应用变革

最近，南开大学薄方教授课题组在2023年第3期的《Advanced Photonics》杂志上发表了题为“Advances in lithium niobate thin film lasers and amplifiers”的综述文章。该文章详细介绍了基于稀土离子掺杂铌酸锂薄膜的光泵浦激光器和放大器的研究进展。文章总结了电泵浦激光器和放大器在铌酸锂薄膜上的实现方案和研究进展，并分析了基于绝缘体上的铌酸锂（LNOI）平台的光泵浦和电泵浦光源的优缺点。此外，文章还讨论了基于LNOI集成III-V增益材料的电泵浦激光器和放大器的应用前景。这些研究结果为促进基于铌酸锂薄膜的片上集成光路研究及产业化提供了重要参考。

图2   基于LNOI的光源和放大器研究领域

在基于稀土离子掺杂LNOI的光泵浦激光器和放大器方面，研究团队总结了不同的掺杂方案，包括晶体生长掺杂法、热扩散掺杂法和离子注入掺杂法。 文章还总结了这些方案的优缺点，并提供了个性化设计指导，以推动基于稀土离子掺杂LNOI的光泵浦激光器和放大器的研发。 此外，文章介绍了表征微激光器的重要参数，并总结了提高激光器输出功率的具体方法。

 图3   稀土离子掺  杂铌酸锂晶体的方法及其对应的浓度分布示意图

对于集成在LNOI上的电泵浦III-V族激光器和放大器，研究团队将其集成方式归类为混合集成技术、异质集成技术和微转移印刷技术。 混合集成技术是目前最成熟的方法之一，可以在封装阶段将III-V族半导体器件和无源集成光子学器件组装成一个多功能器件。 异质集成技术通过将III-V族晶圆或晶片粘接在已加工的基片顶部，并通过蚀刻工艺制备III-V增益器件。 微转移印刷技术结合了混合和异质集成技术的优点，能够对集成前的III-V器件进行预测试，并实现大规模并行集成。

 然而，这些集成方案都存在技术瓶颈，需要进一步研究和发展。

图4 电泵浦集成光子增益器件的集成方案示意图

铌酸锂材料将引领未来片上集成光路的变革。随着全球经济数字化浪潮的推动，智慧城市和数据中心的建设与光子芯片的研发和生产密切相关。铌酸锂材料可用于制备集成激光器、放大器、变频器、电光调制器、光电探测器等关键光子器件，促进了光通信、激光雷达、粒子传感、信息处理等领域的快速发展。未来，更多类型的高集成、多功能LNOI芯片将走向产业化，片上集成光路领域也将迎来数字经济时代的新发展机遇。 "