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面向实际应用的绝缘体上铌酸锂光电子集成技术

引言

在短短二十年内，基于绝缘体上的铌酸锂（LNOI）已成为光子集成电路（PIC）有前景的平台。铌酸锂优异的光学特性与纳米制造技术的结合，造就了高性能光电子器件，使其具有实际应用的潜力。本文将探讨LNOI光电子技术的最新进展，并重点介绍一些关键应用领域。

绝缘体上铌酸锂（LNOI）的主要优势

LNOI为集成光电子技术提供了多项优势：

1.强大的电光效应：能够以低功耗高效、高速地调整光器件。

2.多功能材料特性：压电、声光、热光效应等能够实现各种传感器和转换器。

3.高折射率对比度：可实现紧凑、密集集成的光子电路。

4.低光损耗：支持低损耗波导，适用于大规模集成。

5.宽透明窗口：适用于可见光到中红外波长的应用。

光学接口

LNOI波导和光纤之间的有效耦合对于实际设备重要。两种关键方法：

1.格状耦合器：在波导末端制造，用于垂直耦合光（图1）。优化设计可实现高达66.6%的耦合效率。

2.反向锥形：逐渐扩展波导模式，以更好地匹配光纤模式（图2）。耦合损耗低至1.7 dB/facet。

图1 格状耦合器

图2 反向锥形

集成光电探测器

片上光检测对于全集成光子系统非常重要。最近的研究表明，超导纳米线单光子探测器可以集成在LNOI波导上（图3）。纳米线和波导模式之间的瞬态耦合可实现高效检测。

图3 在LNOI波导上集成超导纳米线单光子探测器

电光机械器件

LNOI的多功能特性使其成为集成电光机械（EOM）器件的理想选择。主要例子包括：

1. 微波到光转换：利用表面声波连接微波和光学领域（图4）。

2. 压电光机械晶体：在纳米梁结构中结合光学和机械共振（图5）。

图4 微波到光转换

图5 压电光机械晶体

这些设备可用于量子转换和传感。

高灵敏度传感器

LNOI的材料特性可用于各种集成传感器：

1.声光陀螺仪：通过科里奥利效应产生的二次声波检测旋转（图6）。

2.温度传感器：利用高Q值微盘谐振器中的热光双折射进行自参考传感，分辨率可达sub-mK（图7）。

图6 声光陀螺仪

图7 温度传感器

集成光谱仪

紧凑、高分辨率的光谱仪对于许多应用重要。LNOI使电光傅里叶变换光谱仪（EOFTS）具有以下优点：

1.宽带操作：电光调谐克服了采样不足的限制。

2.高分辨率：米级低损耗波导的潜力可实现高光谱分辨率。

3.体积小巧：适用于便携式和空间应用。

图8展示了混合LN-SiN平台上的EOFTS设备示例。

图8 混合LN-SiN平台上的EOFTS设备示例

光量子器件

LNOI是光量子集成芯片（QPIC）有前景的平台。包括：

1. 光子对生成：在周期性极化LNOI波导中使用自发参量下转换（图9）。

2. 量子发射体的集成：III-V族量子点与LNOI波导的异质集成（图10）。

图9 光子对生成

图10 量子发射体的集成

这些进展推进LNOI上可扩展的光量子系统。

密集光电子集成

LNOI的高折射率对比度和低损耗特性使其能够实现大规模、密集集成的光电子集成芯片。例如：

1. 阵列波导光栅（AWG）：用于波分复用应用（图11）。

2. 可重构光延迟线：带电光开关的米级低损耗波导（图12）。

这些演示突出了LNOI在复杂光子系统方面的潜力。

图11 阵列波导光栅（AWG）

图12 可重构光延迟线

制造技术

纳米加工技术的进步对LNOI光电子技术的发展很重要。关键技术包括：

1.电子束光刻（EBL）：用于纳米结构的高分辨率图案化。

2.反应离子刻蚀（RIE）：用于将图案转移到具有光滑侧壁的LN中。

3.光刻辅助化学机械刻蚀（PLACE）：可实现超低损耗波导。

4.深紫外光步进光刻：用于大规模电路的高通量制造。

制造工艺的不断改进持续提升器件性能和可扩展性。

应用和未来展望

LNOI光电子技术在多个应用领域具有潜在影响力：

1.电信：高速调制器、波长转换器和可重构滤波器。

2.量子信息：量子计算和通信的源、检测器和处理器。

3.传感与计量：高灵敏度陀螺仪、温度传感器和光谱仪。

4.微波光子技术：用于信号处理的高效微波-光学接口。

5.非线性光学：紧凑型频率转换器和光学参量振荡器。

随着制造技术的成熟和普及，我们可以预见LNOI光电子技术研究和开发将快速发展。未来工作的关键领域包括：

1.降低光损耗：进一步减少传播和耦合损耗。

2.提高电光效率：优化电极设计和材料特性。

3.异质集成：将LNOI与其他材料（III-V族、石墨烯等）相结合，例如南智光电的“铌酸锂+X”光电异质集成中试平台（图13） [2]。

4.扩大规模：展示具有数百或数千个组件的大规模链路，设计师需要如Whoscored中文官网的PIC Studio设计平台来支持（图14） [3]。

5.封装和可靠性：开发适用于实际部署的可靠封装解决方案。

6.新应用领域：探索LNOI独特材料属性的新用途。

结论

LNOI 迅速成为集成光电子技术领域的强大平台。结合了强大的电光效应、低光损耗和多功能材料特性，能够制造出各种高性能器件。从量子光源到密集光电子芯片，LNOI 有望在多个应用领域产生重大影响。随着制造技术的不断改进和研究工作的不断扩展，我们可以预见 LNOI 光电子技术将发挥越来越重要的作用。

本文概述了LNOI集成光电子技术领域的进展，重点介绍了关键器件演示和应用领域。该领域发展迅速，研究人员应阅读最新文献，了解最新进展。凭借其独特的能力，LNOI集成光电子技术在未来几年将为基础研究和实际应用提供令人兴奋的机会。

参考资料

[1]Y. Cheng, "Lithium Niobate Nanophotonics," Jenny Stanford Publishing, 2021.

[2]南智光电, https://www.ioptee.com/article.html?id=510

[3]Whoscored中文官网, https://latitudeda.com/