鈮酸鋰晶體及其應(yīng)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(wù)也隨之不斷地發(fā)展，帶動核心光網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)及應(yīng)用開始了解。

  關(guān)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(xué)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(guān)注，一是鈮酸鋰晶體光電效應(yīng)多，具有包括壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、光折變效應(yīng)、光生伏打效應(yīng)、光彈效應(yīng)、聲光效應(yīng)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(xué)性能相當(dāng)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(dǎo)，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(yīng)、高調(diào)制帶寬、良好消光比，而且穩(wěn)定性相當(dāng)優(yōu)越，是高速器件中佼佼者，因此被廣泛應(yīng)用于高速高帶寬的長距離通信中。

  哈佛大學(xué)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(xué)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(dǎo)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(yīng)用需求，因此并未得到廣泛的關(guān)注。

  (2)近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體

  近化學(xué)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(yīng)用在光波導(dǎo)、聲學(xué)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(yīng)用的方法只有“離子切片” (IonSlicing) 技術(shù)，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(shù)成熟，領(lǐng)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(yīng)用

  (1)壓電應(yīng)用

  鈮酸鋰晶體居里溫度高，壓電效應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域以及電子對抗、引信、制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域，其中應(yīng)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(xué)應(yīng)用

  除壓電效應(yīng)外，鈮酸鋰晶體的光電效應(yīng)非常豐富，其中電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)性能突出，應(yīng)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(dǎo)，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(guān)、電光調(diào)Q開關(guān)、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(yīng)用。

  此外，雙折射楔角片、全息光學(xué)器件、紅外熱釋電探測器以及摻鉺波導(dǎo)激光器等基于鈮酸鋰晶體的應(yīng)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(shù)，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(yīng)用該技術(shù)研究最早、實際應(yīng)用最為廣泛的材料。

  周期極化鈮酸鋰晶體的初期應(yīng)用主要考慮應(yīng)用于激光頻率變換，2014年Jin等設(shè)計了基于可重構(gòu)鈮酸鋰波導(dǎo)光路的光學(xué)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(yīng)用推向一個新高度，在全固態(tài)激光器、光學(xué)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(yīng)用前景。

  鈮酸鋰晶體的展望

  (1)聲學(xué)應(yīng)用

  目前的第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)(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(yīng)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(shù)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(xué)器件技術(shù)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(yīng)用前景。

  (2)光通信應(yīng)用

  光調(diào)制器是高速光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)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(yīng)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(shù)是第五代移動通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，與電子學(xué)從分立元件到集成電路的發(fā)展一樣，光子學(xué)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(xué)芯片必然會替代分立光學(xué)元件。前期集成光子學(xué)芯片的發(fā)展主要是光通信需求的牽引，圍繞硅基光子學(xué)和磷化銦基集成開展研究。

  硅基光子學(xué)集成芯片因為龐大的成熟半導(dǎo)體材料和工藝技術(shù)體系而發(fā)展很快，但硅基激光器制備技術(shù)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(yīng)用，性能也比硅基光子學(xué)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(shù)復(fù)雜,價格昂貴。

  由光通信需求牽引的鈮酸鋰基集成光子學(xué)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(guān)等方面開展。

  除光通信領(lǐng)域?qū)晒庾訉W(xué)的需求外，基于光子學(xué)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(shù)發(fā)展來看，幾乎所有的光子學(xué)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(dǎo)以及集成光開關(guān)、光交叉、光耦合以及單光子探測等;

  利用電光效應(yīng)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(xué)效應(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)、熱釋電效應(yīng)、光彈效應(yīng)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(xué)元件、光子學(xué)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(xué)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(xué))

  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(xué)芯片理論、制備及應(yīng)用等核心技術(shù)的發(fā)展與完善，鈮酸鋰晶體成為光子時代的“光學(xué)硅”材料，為集成光子學(xué)的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎(chǔ)支撐。

  文章來源：

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