8/29/2024，光纖在線訊，來源：逍遙設計自動化

引言
     鈮酸鋰（LiNbO3或LN）因其優(yōu)異的電光、非線性光學和聲光特性，已成為集成光電子領域極具前景的材料平臺。雖然大塊鈮酸鋰器件在光通信領域已經應用了幾十年，但近年來絕緣體上絕緣體上薄膜鈮酸鋰?（LNOI）技術的發(fā)展為小型、高性能光電子集成芯片開辟了新的方向。本文概述了鈮酸鋰集成光電子技術的進展，包括材料特性、制造技術和關鍵光電子器件。

      
圖1. LN集成光電子概述。頂部中間插圖為LN晶體結構。EO，電光;SHG，二次諧波發(fā)生;SFG/DFG，和頻/差頻發(fā)生;SCG，超連續(xù)發(fā)生;OPA/OPO，光參量放大/振蕩;SRS，受激拉曼散射;PPLN，周期性極化鈮酸鋰;GC，光柵耦合器;WL，波長;AO，聲光。

材料特性
     鈮酸鋰是人工晶體，具有三邊形結構，缺乏反演對稱性。它對光子學應用具有吸引力的關鍵特性包括：
     ·  寬透明窗口（400 nm至5 μm）
     ·  大電光系數(shù)（r33≈30.9 pm/V）
     ·  高二階（χ（2））和三階（χ（3））非線性易感性
     ·  強大的聲光效應和光彈性效應
     ·  鐵電和熱電特性

     在1550納米波長處，普通光和異常光的鈮酸鋰折射率分別為no = 2.211和ne = 2.138。這種雙折射特性可實現(xiàn)非線性光學過程的相位匹配。約4eV的寬帶隙使鈮酸鋰具有抗光損傷能力。

制造技術
薄膜LN
     塊狀LN晶體已經使用了數(shù)十年，但絕緣體上薄膜鈮酸鋰的采用才促使更緊湊的集成器件。

有兩種主要方法用于制造薄LN膜：
     1.晶體離子切片（CIS）：將塊狀薄膜鈮酸鋰芯片植入氦離子，形成受損層。與絕緣體基板結合后，通過熱處理或蝕刻將頂部的LN膜分離。

     2.研磨和拋光：將大塊LN芯片與絕緣體基板粘合，然后通過機械方式將其減薄至微米級厚度。

     這些技術可在二氧化硅等絕緣體基板上生產出厚度為幾百納米至幾微米的高質量單晶LN薄膜。較大的折射率對比度可實現(xiàn)強大的光學限制。

刻蝕技術
     由于化學穩(wěn)定性高，在薄膜鈮酸鋰上形成波導和其他結構具有挑戰(zhàn)性。主要的蝕刻技術包括：
     ·  干法蝕刻：氬基等離子蝕刻可形成光滑、近乎垂直的側壁。此外還使用氯和氟化學物質。
     ·  濕法蝕刻：氫氟酸（HF）蝕刻通常與質子交換結合使用，以提高蝕刻速率。
     ·  其他方法：聚焦離子束銑削、飛秒激光燒蝕、化學機械拋光。

      
圖2. 平面薄膜鈮酸鋰器件的制造流程。圖示為（a）金屬離子摻雜擴散和（b）PE方法，用于在塊狀LN晶體中制造平面光子器件（尺寸未按比例繪制）。PR，光刻膠。

      
圖3. （a） CIS和（b）研磨拋光技術的工藝流程。尺寸未按比例繪制。

異構集成
     薄膜鈮酸鋰還可以與其他光電子平臺集成：
     ·  將薄膜鈮酸鋰薄膜與硅、氮化硅或其他基底結合
     ·  在薄膜鈮酸鋰上沉積非晶硅等材料

這使混合器件能夠結合不同材料系統(tǒng)的優(yōu)點。

關鍵光電子器件
電光調制器
     薄膜鈮酸鋰中的大普克爾效應可實現(xiàn)高速、低電壓的電光調制。薄膜薄膜鈮酸鋰調制器已證明：
     ·  帶寬>100 GHz 
     ·  半波電壓<2 V
     ·  數(shù)據傳輸速率高達320 Gbps

圖4展示了薄膜鈮酸鋰馬赫-曾德干涉儀（MZI）調制器的示例：

      
圖4.基于薄膜鈮酸鋰的調制器。（a） 薄膜鈮酸鋰 MZI調制器的顯微圖像（插圖為其示意圖橫截面）。（b）2厘米長器件的測量傳輸光譜。（c） 100 Gb/s NRZ、140 Gb/s 4-ASK 和 210 Gb/s 8-ASK 信號的高速數(shù)據傳輸測量結果。

非線性光學器件
     LN的強χ（2）非線性特性使其能夠實現(xiàn)高效的頻率轉換過程，如二次諧波生成（SHG）。主要進展包括：
     ·  在周期性極化鈮酸鋰波導中，SHG轉換效率高達2600%/（W·cm2）
     ·  微環(huán)諧振器的SHG效率為250，000%/W
     ·  寬帶頻率梳生成超連續(xù)譜生成
     ·  跨越多個八度音程

圖5展示了非線性鈮酸鋰器件的示例：

      
圖5. 基于鈮酸鋰的非線性和量子光子器件。（a-c）用于二次諧波生成的PPLN微環(huán)。（d）用于克爾梳生成的PIC。（e）EO頻率梳。（f）超連續(xù)譜生成。（g-j）基于PPLN微環(huán)的光子對源。

     薄膜波導中的色散調控能力使得新型非線性應用成為可能，這是體相位匹配鈮酸鋰所無法實現(xiàn)的。

聲光器件
     LN的強光彈性效應可實現(xiàn)高效的聲光相互作用。包括：
     ·  高Q值（>104）的表面聲波諧振器
     ·  帶寬超過100 MHz的聲光調制器
     ·  插入損耗低的聲延遲線

圖6展示了LN中的聲光器件示例：

      
圖6. 基于LN的聲光調制器。（a-c）MZI和微環(huán)調制器。（d-e）用于微波到光學轉換的懸浮MZI。（f-g）使用聲子晶體波導的寬帶調制器。

     將聲學和光電子器件集成在同一芯片上的能力，為微波光子和量子轉換提供了新的應用。

稀土摻雜器件
     在LN中摻入鉺等稀土離子，可實現(xiàn)片上放大和激光。最新成果包括：
     ·  凈增益為18dB的波導放大器
     ·  閾值低于毫瓦的微環(huán)激光器
     ·  電光可調微盤激光器

圖7展示了稀土摻雜LN器件的示例：

      
圖7. 摻雜稀土元素的LN器件。（a-c）摻雜Tm3+的TFLN。（d-f）摻雜Er3+的TFLN微環(huán)。（g-i）摻雜Er3+的波導放大器。（j-l）摻雜Er3+的微環(huán)激光器。

     片上激光器和放大器是全集成鈮酸鋰光電子芯片的關鍵組成部分。

其他器件
     鈮酸鋰的多功能性使其能夠用于制造各種其他光電子器件：
     ·  中紅外傳感用熱電探測器
     ·  用于高效頻率轉換的非線性超表面
     ·  可見光波長調制器和其他組件
     ·  集成超導納米線單光子探測器
·       異質集成還可以通過將其他材料與鈮酸鋰結合來增加功能，例如光探測。

挑戰(zhàn)與未來展望
     鈮酸鋰光電子技術取得了飛速發(fā)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)：
     ·  改進蝕刻技術，以獲得更光滑的側壁和更低的損耗
     ·  擴大晶圓尺寸，用于商業(yè)生產
     ·  進一步降低調制器驅動電壓
     ·  提高非線性轉換效率
     ·  開發(fā)鈮酸鋰上的激光源

未來的研究方向可能包括：
     ·  結合多種功能的密集光電子集成芯片
     ·  利用鈮酸鋰特性的新型量子光子器件
     ·  與其他成熟平臺的混合集成
     ·  利用鈮酸鋰在可見光/紫外波長下的特性
·       微波光子技術、傳感和計算的新應用

     鈮酸鋰卓越的材料特性與先進的納米制造技術的結合使其成為集成光電子芯片有前景的平臺。隨著制造工藝的成熟，可以期待在未來幾年內看到更復雜的基于鈮酸鋰的光電子系統(tǒng)出現(xiàn)。

結論
     近年來，鈮酸鋰光電子技術在薄膜技術和改進的制造技術的推動下經歷了復興。能夠制造出具有強光約束的緊湊型波導，使電光調制器、非線性光學器件和其他關鍵組件的性能達到了新的水平。隨著剩余挑戰(zhàn)的解決， 鈮酸鋰有望在從光通信到量子信息處理的各種應用中發(fā)揮越來越重要的作用。鈮酸鋰的多功能性及其獨特的綜合性能使其成為近期商業(yè)部署和長期光電子技術研究的重要平臺。

參考資料
[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.