特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。背景
電磁波是現代社會的重要基礎。它們被用來攜帶信息，使廣播廣播和電視、移動電信以及通過Wi-Fi無處不在地訪問數據網絡成為可能，并通過光纖形成了現代寬帶互聯網的骨干。在基礎物理學中，電磁波是探測從宇宙到原子尺度的物體的重要工具。例如，世界上一些最精密的人造儀器——激光干涉儀引力波天文臺和原子鐘，依靠電磁波達到了前所未有的精度。這激發了數十年的研究，以開發寬光譜范圍內的相干EM源，并取得了令人印象深刻的結果：由電子振蕩器可以很容易地產生數十千兆赫(無線電和微波體系)的頻率。諧振隧道二極管能夠產生毫米和太赫茲波，范圍從幾十千兆赫到幾太赫茲。甚至在更高的頻率，高達千赫茲級，通常被定義為光學頻率，相干波可以由固體和氣體激光器產生。然而，這些方法往往存在光譜帶寬狹窄的問題，因為它們通常依賴于特定材料的明確的能態，這導致光譜覆蓋相當有限。為了克服這一限制，非線性混頻策略已經被開發出來。這些方法將復雜性從EM源轉移到非共振的物質效應。特別是在光學領域，存在大量的材料支持適合于頻率混合的效應。在過去的20年里，通過操縱這些材料形成波導結構(波導)的想法在效率、小型化、生產規模和成本方面得到了提高，并已廣泛應用于各種應用。鈮酸鋰晶體首次生長于1949年，由于其良好的材料性能，是一種特別有吸引力的頻率混合光子材料。大塊鈮酸鋰晶體和弱約束波導幾十年來一直被用于訪問EM頻譜的不同部分。最近，薄膜鈮酸鋰(TFLN)引發了廣泛的關注。這種集成的光子材料平臺實現了緊密的模式約束，從而使頻率混合效率提高了幾個數量級，同時通過使用色散工程等方法為光學特性工程提供了額外的自由度。重要的是，TFLN的大折射率對比度首次實現了以鈮酸鋰為基礎的光子集成電路。
綜述概述
有鑒于此，澳大利亞RMIT大學Andreas Boes等人全面地回顧了LN作為一種光學材料的歷史、其不同的光子平臺、工程概念、光譜覆蓋率和基本應用，然后對LN的未來進行了展望。該綜述發表在Science期刊上。
具體內容
LN是一種鐵電晶體，1949年首次以多晶形式合成。此后，人們花了15年的時間確定了這種材料的特征電光和二階非線性光學特性。在過去的幾十年里，出現了三種主要的LN光子平臺，即塊狀晶體、弱約束波導和緊約束波導。
大塊LN晶體由于其與自由空間光學裝置的兼容性、處理高光功率的能力、易于制造和低成本而被廣泛應用于產生和操縱EM波。這種晶體通常是毫米到厘米級的LN塊，具有光學級拋光面。大塊LN晶體早期被用于電光調制和諧波產生(SHG)。光折射率是在研究LN的非線性器件時首次發現的，它后來為在LN中存儲高密度數據提供了手段。弱約束LN波導在小模體積下保持高強度的厘米長度距離上的相互作用場，與塊狀晶體相比，非線性混合效率提高了兩到三個數量級。這降低了對光功率的要求，能夠在毫瓦(連續波)或幾納焦耳(脈沖)的中等光功率范圍內高效地產生電磁波。鈦擴散和質子交換仍然是常見的弱約束LN波導制造方法。這種波導已用于許多頻混演示，如在LN和集成鉺激光器中用于SHG的QPM的首次實現。
緊約束LN波導是一種相對較新的LN結構，具有更小的模式體積，達到亞波長模式直徑。除了提供廣泛的集成和色散工程機會外，這導致頻率混合效率比弱約束波導高出近兩個數量級。薄膜LN (TFLN)平臺可以在接近半導體平臺的規模和密度上實現光子集成，由于TFLN結合了高約束和高非線性，它特別適合于低功率連續波和低能量脈沖應用。LN是幾種具有產生和操縱EM波的許多吸引人的特性的材料之一，包括大的非線性光學、電光和壓電系數。LN還可以支持各種工程概念，進一步增強這些效果。非線性光學效應可以通過二階[χ(2)]和三階[χ(3)]非線性光學過程產生新的電磁波。在LN的居里溫度(1150°C)以下，其晶體結構是非中心對稱的，產生了較大的二階非線性。這意味著沿一個晶體軸偏振的電磁波可以在另一個具有一定偏振的電磁場中引起相移。這種相互作用的全部集合稱為非線性張量。LN中的三階非線性光學過程使用其非線性折射率，與Si3N4的強度相似，實現了高效的四波混合過程，適用于光頻率梳等應用。線性電光效應改變LN的折射率與外加電場成正比，可以用來調制穿過晶體的電磁波，在注入波周圍產生新的頻率，間隔為電調制頻率的一個或多個。LN的最大電光系數依賴于晶體軸，最大的分量約為30 pm/V，通常需要相互作用長度為幾毫米到幾厘米才能在合理的低電壓下實現所需的相移。這種效應已被用于用從靜態或極低頻到數百千兆赫的電信號調制和操縱電磁波。LN的一個關鍵優勢是電光效應只改變光的相位，而不改變吸收。光彈性效應使LN的折射率隨應變變化，通過壓電效應與聲波激發產生的周期性剪切或壓縮LN相互作用，可用于調制和移頻電磁波。聲光器件在LN中的工作頻率通常在兆赫到千兆赫范圍內，主要是因為實際的考慮，如晶體的大小和電極的可制造性。
圖 LN技術中使用的工程概念可實現寬光譜范圍的高效耦合與其他材料相比，LN并不一定表現出最強的材料效應。事實上，還有許多其他材料，如KTP、BBO、GaAs和InP，具有誘人的材料性能。然而，LN的特點在于其成熟度、穩定性、商業可用性、寬透明度范圍以及在寬頻譜范圍內EM頻率之間的耦合方面的可工程性，使其生成更加高效和可定制。速度匹配用于LN中最常見的光學元件之一，即寬帶電光行波調制器。為了使射頻波與光波有效的電光相互作用，理想情況下，單頻射頻波的相速度與光波的群速度應該相同。這可以通過設計波導和電極尺寸以及材料色散來實現。色散工程使用材料疊加和波導尺寸作為自由度來設計模態色散。波導的色散由波導核心和包層中波長相關的場分布決定。這種波導色散(或幾何色散)可以成為整體色散的重要因素，通過提供對群速度失配和群速度色散的控制。色散工程通常只在TFLN中可用。QPM是一種補償不同波的相速度(即動量)不匹配的技術。這可以通過相位失配達到180°時周期性地反轉晶體的自發極化來實現，或者在導波平臺中，通過修改波導尺寸周期性地擾動非線性耦合的量級。。自發極化的周期性反轉可以通過成熟的光學、熱學和電疇工程方法來實現，其中電場極化方法是應用最廣泛的方法，已應用于所有三個LN平臺。電場極化和QPM的工程性在大多數其他光學材料平臺中是不可用的，這是LN廣泛采用非線性光學應用的主要原因之一。LN的材料特性和可工程性相結合，提供了在從紫外光到微波近五個數量級范圍內產生電磁頻率的方法。由于LN具有寬帶隙，可見光和紫外光(400~900 THz)在LN中的材料損耗非常低。通過利用材料的二階和三階光學非線性與發達的近紅外光源相結合，可以在LN中生成可見頻率。這種非線性光學過程所能產生的最高EM頻率僅受LN的紫外吸收邊緣的限制，并且在近紫外光譜范圍內可達到800至900 THz。近紅外頻率可以使瑞利散射最小化，又可以在特定窗口避免分子吸收，從而實現通過光纖和光子集成電路(PIC)的低損耗傳輸。根據應用的不同，近紅外頻率可以通過廣泛的方法在LN中生成，包括拉曼激光和DFG，這些過程可以生成一到兩種新的EM頻率，以及Kerr微梳、SCG和電光梳，這些方法可以以OFCs的形式生成數十到數百種新的EM頻率。當聲子吸收開始發生時，中紅外頻率在LN中的損失較低。中紅外頻率可以用來激發分子的振動狀態，廣泛應用于城市空氣質量監測或化工廠過程監測和管道排放等的光譜傳感器。最近，由DFG產生的中紅外頻率已在弱約束以及TFLN波導中得到證明，連續波轉換效率提高了一到兩個數量級。由于色散工程提供的大轉換帶寬，TFLN波導將紅外頻率梳到中紅外區域。SCG產生的頻率梳具有更寬的譜寬，可以一直達到60 THz。在TFLN平臺中，LN薄膜下面的二氧化硅包層的材料吸收也可以限制產生的頻率。LN晶體具有通過光學整流產生窄帶、高強度太赫茲頻率的吸引力，這是一個二階非線性光學過程，也可以用脈沖內DFG來描述。在大塊LN晶體中用于光學整流的泵浦脈沖處于近紅外區域，這是由于高功率、超短光學光源的可用性，通常產生頻率為0.2到4 THz的脈沖太赫茲輻射。在非線性光學環境中，微波頻率可以直接通過DFG過程在低語廊模式諧振器中產生，用于光學和微波模式。然而，在大多數射頻光子學應用中，LN被用于將微波頻率轉換到光載波上，然后可以在光域中傳輸和操縱，隨后使用具有適當帶寬的光電探測器生成微波頻率。從微波到光學頻率的主要轉換機制依賴于LN中的電光和聲光效應。
展望
LN，在所有三種形態(大塊LN晶體，弱約束和強約束LN波導)中，廣泛用于非線性光學，聲學和電光過程，以在寬光譜范圍內生成和操作EM頻率。自從LN誕生以來，材料和制造工藝已經成熟，導致大多數執行明確功能的離散組件。在未來，大塊LN晶體元件對于整個頻譜的EM頻率產生仍然很重要，特別是對于需要高光功率的應用，例如高功率OPO，自由空間聲光和電光調制器，以及激光腔中的q 轉換器。然而，對于LN波導平臺，預計在兩個維度上的發展將迅速加速：(i)復雜性和(ii)光譜寬度。復雜性將從芯片上的毫米級單一組件過渡到微米級納米光子電路，然后是復雜的多層網絡，其中不同的材料與LN異質集成并與電子電路封裝。這些設備的光譜寬度將從主要在近紅外頻率工作轉變為根據需要從可見頻率到微波頻率生成和操縱EM頻率。在短期內(未來5年)，大塊晶體和弱約束波導仍將是產生EM頻率的重要平臺，特別是在近紅外和可見頻率區域。在中期(5到10年)，預計大塊晶體和弱約束波導將繼續作為小批量的可見到中紅外頻率應用的單獨組件使用。新興應用，如6G或太赫茲傳感，將受益于這些設備的高功率處理能力，以有效地產生微波和太赫茲。然而，在太赫茲光譜區域相對較高的材料損耗可能不利于器件性能。從長遠來看(10年或更長時間)，TFLN將基于大規模(超過200毫米直徑的晶圓)鑄造工藝，采用各種異質集成材料和封裝電子電路。這種平臺將是擴大光學網絡方案的絕佳選擇，其中需要以可編程的方式耦合大型經典或量子光源陣列或處理單元。這將從根本上實現創新應用，如完全集成的激光雷達和ONN、量子計算、完全集成的頻率合成器、大規模RF信號處理網絡和先進傳感器。
ANDREAS BOES, et al. Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum. SCIENCE, 2023, 379(6627).DOI: 10.1126/science.abj4396https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4396
