驅動光子學革命的晶體——鈮酸鋰

　　隨著“新基建”的提出，5G已逐步進駐我們的生活，云計算、虛擬現實、數據通信與高清視頻等業務也隨之在不斷地發展，帶動核心光網絡向超高速和超遠距離傳輸升級。而在這個過程中，有一個核心器件是必不可少的——那就是鈮酸鋰調制器(LiNbO3)。

　　據悉，鈮酸鋰調制器利用鈮酸鋰晶體的電光效應并結合光電子集成工藝制作而成，能夠將電子數據轉換為光子信息，是實現電光轉換的核心元件。具體它有何出眾之處，首先要從其原材料鈮酸鋰晶體的電光效應及應用開始了解。

　　關于鈮酸鋰晶體

　　鈮酸鋰是鈮、鋰、氧的化合物，是一種自發極化大（室溫時0.70C/m2）的負性晶體，是目前發現的居里溫度最高（1210℃）的鐵電體。

　　鈮酸鋰晶體有兩個特點尤其引人關注，一是鈮酸鋰晶體光電效應多，具有包括壓電效應、電光效應、非線性光學效應、光折變效應、光生伏打效應、光彈效應、聲光效應等多種光電性能；二是鈮酸鋰晶體的性能可調控性強，這是由鈮酸鋰晶體的晶格結構和豐富的缺陷結構所導致，鈮酸鋰晶體的諸多性能可以通過晶體組分、元素摻雜、價態控制等進行大幅度調控。

　　另外鈮酸鋰晶體的物理化學性能相當穩定，易于加工，光透過范圍寬，具有較大的雙折射，而且容易制備高質量的光波導，所以基于鈮酸鋰晶體的光調制器在長距離通信中有著無可比擬的優勢——不僅具有很小的啁啾(chirp)效應、高調制帶寬、良好消光比，而且穩定性相當優越，是高速器件中佼佼者，因此被廣泛應用于高速高帶寬的長距離通信中。

　　在美國國防部的一項關于鈮酸鋰的報告中曾經有過這樣一段對鈮酸鋰的評價：如果電子革命的中心是以使其成為可能的硅材料命名的，那么光子學革命的發源地則很可能就是以鈮酸鋰命名。

　　鈮酸鋰晶體的制備

　　①同成分鈮酸鋰晶體：對于同成分鈮酸鋰晶體而言，其制備主要采用提拉法。雖然泡生法、導模法、溫梯法等方法也曾用來進行鈮酸鋰晶體的制備，但是與提拉法相比并沒有明顯的優勢或具有明確的應用需求，因此并未得到廣泛的關注。

　　②近化學計量比鈮酸鋰晶體：近化學計量比鈮酸鋰晶體雖然具備諸多優秀的光電性能，但是其配比偏離固液同成分共熔點，無法采用常規的提拉法生長高質量的晶體，目前主要采用的制備方法有富鋰熔體法、助熔劑法、擴散法。

　　③鈮酸鋰單晶薄膜：鈮酸鋰單晶薄膜可以應用在光波導、聲學器件等微納結構以及制備硅基等混合集成器件等方面，人們很早就開始探索鈮酸鋰單晶薄膜的制備，不過真正得到應用的方法只有“離子切片”(IonSlicing)技術，目前已經實現了商品化，能夠提供直徑4英寸、厚度300~900nm的單晶薄膜產品。

　　現階段，鈮酸鋰晶體生產技術成熟，領先企業市場份額占比較大。在全球市場中，德國愛普科斯、日本住友、德國KorthKristalle是市場份額排名前三的鈮酸鋰生產企業。

　　鈮酸鋰晶體的主要應用

　　1.壓電應用

　　鈮酸鋰晶體居里溫度高，壓電效應的溫度系數小，機電耦合系數高，介電損耗低，晶體物化性能穩定，加工性能良好，又易于制備大尺寸高質量晶體，是一種優良的壓電晶體材料。

　　與常用的壓電晶體石英相比，鈮酸鋰晶體聲速高，可以制備高頻器件，因此鈮酸鋰晶體可用于諧振器、換能器、延遲線、濾波器等，應用于移動通信、衛星通信、數字信號處理、電視機、廣播、雷達、遙感遙測等民用領域以及電子對抗、引信、制導等軍事領域，其中應用最為廣泛的是聲表面波濾波器件(SAWF)。

　　2.光學應用

　　除壓電效應外，鈮酸鋰晶體的光電效應非常豐富，其中電光效應、非線性光學效應性能突出，應用也最為廣泛。而且鈮酸鋰晶體可以通過質子交換或鈦擴散制備高品質的光波導，又能夠通過極化翻轉制備周期性極化晶體，所以在電光調制器、相位調制器、集成光開關、電光調Q開關、電光偏轉、高電壓傳感器、波前探測、光參量振蕩器以及鐵電超晶格等器件中得到廣泛應用。此外，雙折射楔角片、全息光學器件、紅外熱釋電探測器以及摻鉺波導激光器等基于鈮酸鋰晶體的應用也有報道。

　　3.介電超晶格

　　1962年Armstrong等首次提出了準相位匹配(QPM，Quasi-Phase-Match)的概念，利用超晶格提供的倒格矢來補償光參量過程中的位相失配。鐵電體的極化方向決定非線性極化率χ2的符號，將鐵電體內制備出周期性極化方向相反的鐵電疇結構就能夠實現準位相匹配技術，包括鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀等晶體都可以制備周期極化晶體，其中鈮酸鋰晶體是制備和應用該技術研究最早、實際應用最為廣泛的材料。

　　周期極化鈮酸鋰晶體的初期應用主要考慮應用于激光頻率變換，2014年Jin等設計了基于可重構鈮酸鋰波導光路的光學超晶格集成光子芯片，首次實現了芯片上糾纏光子高效產生和高速電光調制。可以說，介電超晶格理論的提出和發展，將鈮酸鋰晶體及其他鐵電晶體應用推向一個新高度，在全固態激光器、光學頻率梳、激光脈沖壓縮、光束整形以及量子通信中的糾纏光源等方面具有重要的應用前景。

　　總之，鈮酸鋰晶體在光電子方面性能相當突出，下游可應用范圍廣泛，因此預計未來幾年內全球鈮酸鋰晶體市場需求還會持續穩定增長。

　　資料來源：

　　鈮酸鋰晶體及其應用概述，孫軍，郝永鑫，張玲，許京軍，祝世寧，人工晶體學報, 2020, 49(6)

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