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铌酸锂集成光电子技术：进展与未来展望

引言

铌酸锂（LiNbO3或LN）因其优异的电光、非线性光学和声光特性，已成为集成光电子领域极具前景的材料平台。虽然大块铌酸锂器件在光通信领域已经应用了几十年，但近年来绝缘体上绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）技术的发展为小型、高性能光电子集成芯片开辟了新的方向。本文概述了铌酸锂集成光电子技术的进展，包括材料特性、制造技术和关键光电子器件。

图1. LN集成光电子概述。顶部中间插图为LN晶体结构。EO，电光;SHG，二次谐波发生;SFG/DFG，和频/差频发生;SCG，超连续发生;OPA/OPO，光参量放大/振荡;SRS，受激拉曼散射;PPLN，周期性极化铌酸锂;GC，光栅耦合器;WL，波长;AO，声光。

材料特性

铌酸锂是人工晶体，具有三边形结构，缺乏反演对称性。它对光子学应用具有吸引力的关键特性包括：

宽透明窗口（400 nm至5 μm）
大电光系数（r33≈30.9 pm/V）
高二阶（χ（2））和三阶（χ（3））非线性易感性
强大的声光效应和光弹性效应
铁电和热电特性

在1550纳米波长处，普通光和异常光的铌酸锂折射率分别为no = 2.211和ne = 2.138。这种双折射特性可实现非线性光学过程的相位匹配。约4eV的宽带隙使铌酸锂具有抗光损伤能力。

制造技术

薄膜LN

块状LN晶体已经使用了数十年，但绝缘体上薄膜铌酸锂的采用才促使更紧凑的集成器件。

有两种主要方法用于制造薄LN膜：

1.晶体离子切片（CIS）：将块状薄膜铌酸锂芯片植入氦离子，形成受损层。与绝缘体基板结合后，通过热处理或蚀刻将顶部的LN膜分离。

2.研磨和抛光：将大块LN芯片与绝缘体基板粘合，然后通过机械方式将其减薄至微米级厚度。

这些技术可在二氧化硅等绝缘体基板上生产出厚度为几百纳米至几微米的高质量单晶LN薄膜。较大的折射率对比度可实现强大的光学限制。

刻蚀技术

由于化学稳定性高，在薄膜铌酸锂上形成波导和其他结构具有挑战性。主要的蚀刻技术包括：

干法蚀刻：氩基等离子蚀刻可形成光滑、近乎垂直的侧壁。此外还使用氯和氟化学物质。
湿法蚀刻：氢氟酸（HF）蚀刻通常与质子交换结合使用，以提高蚀刻速率。
其他方法：聚焦离子束铣削、飞秒激光烧蚀、化学机械抛光。

图2. 平面薄膜铌酸锂器件的制造流程。图示为（a）金属离子掺杂扩散和（b）PE方法，用于在块状LN晶体中制造平面光子器件（尺寸未按比例绘制）。PR，光刻胶。

图3. （a） CIS和（b）研磨抛光技术的工艺流程。尺寸未按比例绘制。

异构集成

薄膜铌酸锂还可以与其他光电子平台集成：

将薄膜铌酸锂薄膜与硅、氮化硅或其他基底结合
在薄膜铌酸锂上沉积非晶硅等材料

这使混合器件能够结合不同材料系统的优点。

关键光电子器件

电光调制器

薄膜铌酸锂中的大普克尔效应可实现高速、低电压的电光调制。薄膜薄膜铌酸锂调制器已证明：

带宽>100 GHz
半波电压<2 V
数据传输速率高达320 Gbps

图4展示了薄膜铌酸锂马赫-曾德干涉仪（MZI）调制器的示例：

图4.基于薄膜铌酸锂的调制器。（a）薄膜铌酸锂 MZI调制器的显微图像（插图为其示意图横截面）。（b）2厘米长器件的测量传输光谱。（c） 100 Gb/s NRZ、140 Gb/s 4-ASK 和 210 Gb/s 8-ASK 信号的高速数据传输测量结果。

与块状器件相比，薄膜铌酸锂中的紧凑型波导可实现更高效的调制。通过优化设计进一步提高带宽和驱动电压。

非线性光学器件

LN的强χ（2）非线性特性使其能够实现高效的频率转换过程，如二次谐波生成（SHG）。主要进展包括：

在周期性极化铌酸锂波导中，SHG转换效率高达2600%/（W·cm2）
微环谐振器的SHG效率为250，000%/W
宽带频率梳生成
超连续谱生成，跨越多个八度音程

图5展示了非线性铌酸锂器件的示例：

图5. 基于铌酸锂的非线性和量子光子器件。（a-c）用于二次谐波生成的PPLN微环。（d）用于克尔梳生成的PIC。（e）EO频率梳。（f）超连续谱生成。（g-j）基于PPLN微环的光子对源。

薄膜波导中的色散调控能力使得新型非线性应用成为可能，这是体相位匹配铌酸锂所无法实现的。

声光器件

LN的强光弹性效应可实现高效的声光相互作用。包括：

高Q值（>104）的表面声波谐振器
带宽超过100 MHz的声光调制器
插入损耗低的声延迟线

图6展示了LN中的声光器件示例：

图6. 基于LN的声光调制器。（a-c）MZI和微环调制器。（d-e）用于微波到光学转换的悬浮MZI。（f-g）使用声子晶体波导的宽带调制器。

将声学和光电子器件集成在同一芯片上的能力，为微波光子和量子转换提供了新的应用。

稀土掺杂器件

在LN中掺入铒等稀土离子，可实现片上放大和激光。最新成果包括：

净增益为18dB的波导放大器
阈值低于毫瓦的微环激光器
电光可调微盘激光器

图7展示了稀土掺杂LN器件的示例：

图7. 掺杂稀土元素的LN器件。（a-c）掺杂Tm3+的TFLN。（d-f）掺杂Er3+的TFLN微环。（g-i）掺杂Er3+的波导放大器。（j-l）掺杂Er3+的微环激光器。

片上激光器和放大器是全集成铌酸锂光电子芯片的关键组成部分。

其他器件

铌酸锂的多功能性使其能够用于制造各种其他光电子器件：

中红外传感用热电探测器
用于高效频率转换的非线性超表面
可见光波长调制器和其他组件
集成超导纳米线单光子探测器
异质集成还可以通过将其他材料与铌酸锂结合来增加功能，例如光探测。

挑战与未来展望

铌酸锂光电子技术取得了飞速发展，但仍面临一些挑战：

改进蚀刻技术，以获得更光滑的侧壁和更低的损耗
扩大晶圆尺寸，用于商业生产
进一步降低调制器驱动电压
提高非线性转换效率
开发铌酸锂上的激光源

未来的研究方向可能包括：

结合多种功能的密集光电子集成芯片
利用铌酸锂特性的新型量子光子器件
与其他成熟平台的混合集成
利用铌酸锂在可见光/紫外波长下的特性
微波光子技术、传感和计算的新应用

铌酸锂卓越的材料特性与先进的纳米制造技术的结合使其成为集成光电子芯片有前景的平台。随着制造工艺的成熟，可以期待在未来几年内看到更复杂的基于铌酸锂的光电子系统出现。

结论

近年来，铌酸锂光电子技术在薄膜技术和改进的制造技术的推动下经历了复兴。能够制造出具有强光约束的紧凑型波导，使电光调制器、非线性光学器件和其他关键组件的性能达到了新的水平。随着剩余挑战的解决，铌酸锂有望在从光通信到量子信息处理的各种应用中发挥越来越重要的作用。铌酸锂的多功能性及其独特的综合性能使其成为近期商业部署和长期光电子技术研究的重要平台。

参考资料

[1]G. Chen et al., "Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives," Advanced Photonics, vol. 4, no. 3, p. 034003, May/Jun 2022.