鈮酸鋰晶體及其應用概述

  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(xiàn)實、數(shù)據(jù)通信與高清視頻等業(yè)務也隨之不斷地發(fā)展，帶動核心光網(wǎng)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(diào)制器(LiNbO3)。

圖1 鈮酸鋰調(diào)制器

  據(jù)悉，鈮酸鋰調(diào)制器利用鈮酸鋰晶體的電光效應并結(jié)合光電子集成工藝制作而成，能夠?qū)㈦娮訑?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光子信息，是實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)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(fā)極化大(室溫時 0.70 C/m2)的負性晶體，是目前發(fā)現(xiàn)的居里溫度最高(1210 ℃)的鐵電體。

圖2 (a)3英寸光學級名義純同成分鈮酸鋰晶體;(b)摻鐵鈮酸鋰晶體

  鈮酸鋰晶體有兩個特點尤為引人關注，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(diào)控性強，這是由鈮酸鋰晶體的晶格結(jié)構(gòu)和豐富的缺陷結(jié)構(gòu)所造成，鈮酸鋰晶體的諸多性能可以通過晶體組分、元素摻雜、價態(tài)控制等進行大幅度調(diào)控。

  另外鈮酸鋰晶體的物理化學性能相當穩(wěn)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(zhì)量的光波導，所以基于鈮酸鋰晶體的光調(diào)制器在長距離通信中有著無可比擬的優(yōu)勢——不僅具有很小的啁啾(chirp)效應、高調(diào)制帶寬、良好消光比，而且穩(wěn)定性相當優(yōu)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。

  哈佛大學曾經(jīng)有過這樣一段對鈮酸鋰的評價：如果電子革命的中心是以硅材料命名的，那么光子學革命的發(fā)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(yōu)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(yōu)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(guī)的提拉法生長高質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jīng)實現(xiàn)了商品化，能夠提供厚度為 300~900 nm的單晶薄膜產(chǎn)品。

圖3 鈮酸鋰單晶薄膜

  現(xiàn)階段，鈮酸鋰晶體生產(chǎn)技術成熟，領先企業(yè)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(chǎn)企業(yè)。

  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(shù)小，機電耦合系數(shù)高，介電損耗低，晶體物化性能穩(wěn)定，加工性能良好，又易于制備大尺寸高質(zhì)量晶體，是一種優(yōu)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(wèi)星通信、數(shù)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)。

  圖4 (a) 2.4 GHz聲表面濾波器(SAW);(b)小型SAW雙工器

  (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(zhì)子交換或鈦擴散制備高品質(zhì)的光波導，又能夠通過極化翻轉(zhuǎn)制備周期性極化晶體，所以在電光調(diào)制器、相位調(diào)制器、集成光開關、電光調(diào)Q開關、電光偏轉(zhuǎn)、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。

圖5 鈮酸鋰電光調(diào)制器

  (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(nèi)制備出周期性極化方向相反的鐵電疇結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)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(gòu)鈮酸鋰波導光路的光學超晶格集成光子芯片，首次實現(xiàn)了芯片上糾纏光子高效產(chǎn)生和高速電光調(diào)制。

  可以說，介電超晶格理論的提出和發(fā)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(tài)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。

  鈮酸鋰晶體的展望

  (1)聲學應用

  目前的第五代移動通信網(wǎng)絡(5G)部署包含了 3~5 GHz的 sub-6G 頻段以及 24 GHz以上的毫米波頻段，通信頻率提高不僅要求晶體材料壓電性能能夠滿足，也要求晶片更薄、叉指電極間距更小，器件的制備工藝受到極大挑戰(zhàn)。

  因此，在4G時代及以前所廣泛應用于鈮酸鋰晶體和鉭酸鋰晶體制備的聲表面濾波器，在5G時代面臨著聲體波器件 (BAW) 和薄膜腔聲諧振器件 (FBAR) 的競爭。

  鈮酸鋰晶體在更高頻率的濾波器方面研究進展很快,材料和器件制備技術仍然表現(xiàn)出巨大的潛力。隨著鈮酸鋰單晶薄膜材料以及新型聲學器件技術的發(fā)展，作為未來5G通信的核心器件之一，基于鈮酸鋰晶體的前端射頻濾波器具有重要的應用前景。

  (2)光通信應用

  光調(diào)制器是高速光通信網(wǎng)絡的關鍵器件,未來對鈮酸鋰電光調(diào)制器的要求包括更高調(diào)制速率以及小型化、集成化。

  目前商業(yè)應用的鈮酸鋰電光調(diào)制器以 40/100 Gbps為主，更高速率的鈮酸鋰調(diào)制器已經(jīng)被開發(fā)，例如2017年富士通就發(fā)布了 600 Gbps的鈮酸鋰電光調(diào)制器，目前 400 Gbps 及 600 Gbps的產(chǎn)品正在逐步進入市場。

  光通信技術是第五代移動通訊網(wǎng)絡建設的重要一環(huán)，而鈮酸鋰電光調(diào)制器作為其中的核心器件，也會迎來更大的發(fā)展。

  (3)光子集成芯片

  光子已經(jīng)在高容量通信、光存儲、信息傳遞、信息處理、探測等領域得到了廣泛應用，與電子學從分立元件到集成電路的發(fā)展一樣，光子學器件的微小型化、集成化、低功耗、模塊化、智能化和高可靠性等要求越來越高，集成光子學芯片必然會替代分立光學元件。前期集成光子學芯片的發(fā)展主要是光通信需求的牽引，圍繞硅基光子學和磷化銦基集成開展研究。

  硅基光子學集成芯片因為龐大的成熟半導體材料和工藝技術體系而發(fā)展很快，但硅基激光器制備技術一直是其中的短板，目前依賴與磷化銦混合集成;部分磷化銦集成光子芯片已經(jīng)獲得商業(yè)化應用，性能也比硅基光子學集成芯片更加優(yōu)秀，但缺乏像硅一樣的通用工藝平臺，工藝技術復雜,價格昂貴。

  由光通信需求牽引的鈮酸鋰基集成光子學研究，主要圍繞馬赫-曾德干涉光強調(diào)制器、相位調(diào)制器以及集成光開關等方面開展。

  除光通信領域?qū)晒庾訉W的需求外，基于光子學的光量子信息處理、光計算、生物傳感、成像探測、信號處理、存儲、三維顯示等未來需求更加龐大，與硅或磷化銦等混合集成的方案難以適用。

  從單項技術發(fā)展來看，幾乎所有的光子學元件都已經(jīng)基于鈮酸鋰晶體實現(xiàn)，包括：

  通過稀土摻雜實現(xiàn)的鎖模激光器、調(diào)Q激光和光放大等;

  鈦擴散和質(zhì)子交換實現(xiàn)的光波導以及集成光開關、光交叉、光耦合以及單光子探測等;

  利用電光效應實現(xiàn)的強度、相位和偏振的調(diào)制、波前探測和光脈沖選擇等;

  利用非線性光學效應實現(xiàn)的光頻率變換、量子糾纏態(tài)光子產(chǎn)生;

  利用光折變效應實現(xiàn)的光柵、全息存儲、相位共軛器、空間光調(diào)制器等;

  鈮酸鋰光子晶體、鈮酸鋰光學微腔發(fā)展起來的全光邏輯門、半加器、頻率梳等新型器件;

  通過壓電效應、熱釋電效應、光彈效應等實現(xiàn)對力、熱、光等信號之間的相互轉(zhuǎn)換與傳感。

  在目前發(fā)展較為成熟的光電材料體系中，基于同一個基質(zhì)材料發(fā)展如此多的基本光學元件、光子學器件和光電器件是罕見的，這也讓人們對鈮酸鋰晶體未來在集成光子學芯片發(fā)展中發(fā)揮更重要作用充滿了期待。

圖6 鈮酸鋰晶體制備的超表面微納結(jié)構(gòu)(來源：南開大學)

  鈮酸鋰晶體集多種光電性能于一體且能夠達到實用化性能要求，在光電材料中非常罕見。隨著鈮酸鋰晶體集成光子學芯片理論、制備及應用等核心技術的發(fā)展與完善，鈮酸鋰晶體成為光子時代的“光學硅”材料，為集成光子學的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎支撐。

  文章來源：

  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)