1.导读

       随着5G通信、数据中心与集成光子学的快速发展，对高性能、小型化、低功耗的光放大器需求日益迫切。传统光纤放大器体积大、功耗高，难以满足未来片上光系统的集成需求。近日，宁波大学红外材料与器件实验室在《Optics Express》上发表最新研究，通过结构优化与工艺创新，成功在掺铒氧化镓（Er³⁺:Ga₂O₃）波导中实现高增益放大，单位长度净增益达23.2 dB/cm，为未来集成光放大器的高性能化提供了重要技术路径。

2. 研究背景

       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。氧化镓（Ga₂O₃）作为第四代半导体材料，具备宽透明窗口、高折射率与良好的铒离子溶解性，被视为极具潜力的放大介质。然而，其波导结构设计、泵浦方案与信号源选择对增益性能的影响尚未系统研究，制约了其实际应用。

3. 创新研究

       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 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。

4. 应用与展望

       该研究不仅验证了氧化镓作为高增益波导放大器基片的可行性，还为未来集成化、高性能光放大器的设计提供了重要实验依据与工艺基础。该技术可应用于数据中心光互连、5G前传网络、片上激光雷达、量子光子学等对增益与集成度要求极高的领域。未来，团队将通过优化薄膜沉积工艺、降低波导损耗、探索多晶氧化镓体系等途径，进一步提升器件性能，推动其走向产业化应用。

    该研究成果以“Impact of different pumping and signal schemes on amplification performance of erbium-doped Ga₂O₃ waveguides”为题发表于《Optics Express》。

       论文作者包括Qi Cheng, Peng Chen, Zhe Long, Zheng Zhang, Shengchuan Bai, Rongping Wang，其中王荣平教授为通讯作者。研究团队隶属于宁波大学高等技术研究院红外材料与器件实验室。