铌酸锂，引领光子革命的“六边形战士”
铌酸锂，引领光子革命的“六边形战士”
铌酸锂（lithium niobate）这个科学名词，近几年火了！到底什么是铌酸锂，又有什么特别之处让它“出圈”，为什么业界如此看好铌酸锂材料呢？
铌酸锂(LiNbO3)又被称为“光学硅”，业界更有言“铌酸锂之于光通信，相当于硅之于半导体”。这个生动形象的类比强调了铌酸锂对于光通信行业的颠覆性作用，哈佛大学等国外研究机构甚至提出了仿照“硅谷”模式来建设新一代“铌酸锂谷”的方案，他们郑重宣告“Now entering, lithium niobate valley！”（人类正在进入“铌酸锂谷”的时代）。
图1 铌酸锂晶体结构
光电双修的“全能六边形战士”
“如果电子革命的中心是以硅材料命名的，那么光子学革命的发源地则很可能就是以铌酸锂命名！”这段话并非口出狂言，而是美国国防部对于铌酸锂的评价，足见其对于光子学的意义。事实上，铌酸锂有三大特点使其在诸多材料中脱颖而出。首先，铌酸锂的光电效应丰富。它是一种集光折变效应、非线性效应、电光效应、声光效应、压电效应与热电效应等于一体的无色透明材料，是目前发现的居里温度最高(1210℃)的铁电体。其次，铌酸锂晶体的性能可调控性强。得益于其晶格结构和丰富的缺陷结构，铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进行大幅度调控。最后，铌酸锂材料本身具有卓越的光电性能：电光系数(r33=30.9pm/V)、压电应变系数(d33=16pC/N)、弹光系数(p11=0.026，p12=0.09)、表面波声速(v=3600m/s)、压电应力系数(e33=1.72C/m2)、光学折射率(ne=2.13，no=2.21，@1550nm)，以及较宽的透明波段(0.5~5μm)。并且在长距离通信中，因为其本身具有很小的啁啾效应(Chirp effect)、良好的消光比和优越的器件稳定性,可获得高达40 GHz的带宽的优势，这也是高带宽高速通信领域的科研人员如此青睐铌酸锂的原因。
光耀苍穹：引领光通信颠覆性革命
光子芯片的升级制造证如火如荼地进行，铌酸锂作为“光子革命”的颠覆性材料，起初主要以晶块的形态出现在器件中，随着集成光学器件对材料更薄更灵活的要求，薄膜铌酸锂(TFLN)应运而生，它为高速光通信以及集成光路的发展带来了新的机遇，也为片上铌酸锂光子学的发展奠定了基础。
薄膜铌酸锂在光通信中的应用主要在电光调制器方面。电光调制器是光通信系统中的关键器件，能够将通信设备中的高速电子信号转化为光信号。而薄膜铌酸锂调制器是一种基于铌酸锂材料制作的光学调制器，它利用铌酸锂的电光效应来实现光信号的调制，已成为当前高速电光调制器市场的主流产品。相较于传统的铌酸锂晶体调制器，薄膜铌酸锂调制器具有更小的体积和更低的驱动电压，因此更适合用于集成光学系统。如今，商用的薄膜铌酸锂晶圆厚度通常在300~900 nm之间，通过微纳加工，铌酸锂波导、微腔等结构可将光场局域在亚波长量级，从而显著降低器件尺寸并提高非线性作用的效率。
图2 (a)铌酸锂晶体(b)铌酸锂单晶薄膜(c)薄膜铌酸锂片上电光调制器
在铌酸锂的应用和研究中，我国已取得了一系列研究成果：2022年，兰州大学田永辉、上海交通大学苏翼凯等联合团队通过在薄膜铌酸锂晶圆表面沉积一层氮化硅薄膜，利用成熟的CMOS兼容工艺刻蚀氮化硅层形成氮化硅-铌酸锂异质脊形波导，实现了高性能的模式与偏振复用器件；同年，浙江大学戴道锌/俞泽杰团队提出并实现了一种基于2×2 法布里-珀罗谐振腔的新型铌酸锂薄膜电光调制器，实现了0.9 dB的低超额损耗和21 dB的高消光比，创下了基于铌酸锂的电光调制器的新纪录；2024年2月29日，香港城市大学王骋团队开发出的铌酸锂微波光子芯片，相比硅基和磷化铟，铌酸锂能耗更低且算力速度提高近1000倍，此芯片广泛的应用领域涵盖了5G/6G无线通信系统、人工智能、计算机视觉以及图像/视频处理等多个方面。未来，更多种类的高集成、多功能薄膜铌酸锂芯片将迈向产业化，片上集成光路领域也将在数字经济时代迎来“新春天”！
声学世界的魔幻应用
铌酸锂不仅在光电领域作用明显，在声学领域它同样是“调音师”，声波在它的“魔法”加持下变得更有“深度”，就像音乐里的低音炮，声波在声表面波器件、声光调制器和声光偏转器等铌酸锂基器件中“翩翩起舞”，使得声音的传输和处理变得更高效、更酷炫！
图3 铌酸锂“调音师”玩转声波
2024年，上海交通大学陈玉萍教授，暨南大学万磊副研究员联合团队针对性地总结了薄膜铌酸锂声光调制器的研究进展，探讨了薄膜铌酸锂声光调制器在滤波器、声光频移与激光雷达、隔离器、微波-光波转换方面的应用潜力，并对片上声光调制器的未来研究趋势进行了展望！
薄膜体声波谐振器(FBAR)是使用薄膜半导体工艺在空气中形成电极-压电薄膜-电极的微结构器件，可实现更低的插入损耗、更精确的频率位置，兼具体积小、兼容硅工艺等优势。除了在普通的声学设备中大显身手，铌酸锂在极端环境下也有不俗表现，例如在监测快中子增殖反应堆状态时温度高达600~883℃，其他光电探测方法无法实现堆芯成像与监测，而基于铌酸锂制备的高温超声换能器则成为了当前超声成像的唯一手段。
铌酸锂在声学领域的研究当然远不止于此，近年来同质和混合集成波导(已在波导器件的基础上实现不同结构的声光调制器)、铌酸锂声子晶体(调控声波的传播和反射特性)以及薄膜铌酸锂基片上声光偏转器(已实现3GHz声光频移)等多个声学领域百花齐放，铌酸锂在不同领域都扮演者重要的角色，推动着该领域的科技进步！
激光魔术师：为激光技术插上“新翅膀”
当谈及铌酸锂时，还不得不提到它在激光领域中的独特应用。作为一种非线性光学材料，铌酸锂不仅在激光器件中展现出色，还在激光通信、激光雷达和医疗设备中发挥着重要作用。其稳定性和高效能使其成为推动激光技术发展的重要力量。
图4 首个铌酸锂芯片全集成高功率激光器(来源:SecondBay Studios/Harvard SEAS)
此外，以飞秒激光为代表的超快激光技术作为全球最前沿激光技术之一，同样有铌酸锂的身影。基于铌酸锂的主动锁模超快激光器相较于传统主动锁模激光器，具有更大的脉冲重复频率可调谐范围、更多样化和精确化调控激光的脉冲重复频率和载波频率以及更宽广的光谱覆盖范围和更高的非线性系数等优势。2024年，华东师范大学邓莉副教授团队回顾了薄膜铌酸锂微纳结构的基本原理、制备技术演化过程和最新应用进展，并详细讨论其在频率转换、光电调制、频率光梳、微波-光波转换、量子光子学，以及激光技术等领域的广泛应用；同年，纽约市立大学先进研究中心郭秋实教授以及加州理工学院AlirezaMarandi教授联合团队，提出了颠覆片上半导体锁模激光传统设计的新方案，通过巧妙融合三五族半导体的高激光增益和薄膜铌酸锂纳米光子学平台优异的电光特性，他们研发出了世界首例基于薄膜铌酸锂光芯片的锁模激光器。铌酸锂在激光领域的应用不仅拓展了光学技术的边界，还为各种工程和科学应用提供了强大的工具，为未来更精确、更高效的光学设备和技术奠定了基础。
总结与展望
铌酸锂作为光子学领域的“明日之星”，可用于超构表面、大规模集成光子芯片等领域的前沿应用。近十年来，随着薄膜铌酸锂晶体材料及其微纳加工技术的日臻成熟，国内也涌现出了一批从事铌酸锂材料、技术、器件研制和产品开发的研究人员和研究组，国内部分从事薄膜铌酸锂材料和器件研究的学者还在Advanced Photonics于2022年推出“薄膜铌酸锂光子学”专题、《激光与光电子学进展》在创刊六十周年系列中特设的“铌酸锂光子学器件”专题中发表了文章,介绍他们最新的研究结果；然而，我国在铌酸锂领域仍存在一系列瓶颈：（1）在原料方面，我国尽管锂矿丰富，但铌矿匮乏；（2）在技术方面，基于铌酸锂的先进器件性能还远未达到理论物理极限，因此发展新型掺杂科学、实现铌酸锂的能带结构的改性以及扩大集成规模等技术迫在眉睫；（3）在产业方面，铌酸锂光电子器件在理论上可比硅光电子器件具有更高的载波带宽和调制速度，但目前加工工艺仍需完善，集成度仍需增高……作为“光子革命”的基石，人们从未停止铌酸锂相关领域研究的步伐，相信它在未来将会更加闪耀！