驅(qū)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(xiàn)實、數(shù)據(jù)通信與高清視頻等業(yè)務(wù)也隨之在不斷地發(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)。

　　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0.70C/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。

　　鈮酸鋰晶體有兩個特點尤其引人關(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(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(yīng)、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(yīng)用于高速高帶寬的長距離通信中。

　　在美國國防部的一項關(guān)于鈮酸鋰的報告中曾經(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使其成為可能的硅材料命名的，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(yīng)用需求，因此并未得到廣泛的關(guān)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(yīng)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(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，能夠提供直徑4英寸、厚度300~900nm的單晶薄膜產(chǎn)品。

　　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)。

　　2.光學應(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，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(yīng)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(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(yīng)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(yīng)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(yīng)用范圍廣泛，因此預計未來幾年內(nèi)全球鈮酸鋰晶體市場需求還會持續(xù)穩(wěn)定增長。

　　資料來源：

　　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，人工晶體學報, 2020, 49(6)

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