驱动光子学革命的晶体——铌酸锂

随着“新基建”的提出，5G已逐步进驻我们的生活，云计算、虚拟现实、数据通信与高清视频等业务也随之在不断地发展，带动核心光网络向超高速和超远距离传输升级。而在这个过程中，有一个核心器件是必不可少的——那就是铌酸锂调制器(LiNbO₃)。

据悉，铌酸锂调制器利用铌酸锂晶体的电光效应并结合光电子集成工艺制作而成，能够将电子数据转换为光子信息，是实现电光转换的核心元件。具体它有何出众之处，首先要从其原材料铌酸锂晶体的电光效应及应用开始了解。

关于铌酸锂晶体

铌酸锂是铌、锂、氧的化合物，是一种自发极化大（室温时0.70C/m²）的负性晶体，是目前发现的居里温度最高（1210℃）的铁电体。

(a)3英寸光学级名义纯同成分铌酸锂晶体；(b)掺铁铌酸锂晶体

铌酸锂晶体有两个特点尤其引人关注，一是铌酸锂晶体光电效应多，具有包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能；二是铌酸锂晶体的性能可调控性强，这是由铌酸锂晶体的晶格结构和丰富的缺陷结构所导致，铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进行大幅度调控。

另外铌酸锂晶体的物理化学性能相当稳定，易于加工，光透过范围宽，具有较大的双折射，而且容易制备高质量的光波导，所以基于铌酸锂晶体的光调制器在长距离通信中有着无可比拟的优势——不仅具有很小的啁啾(chirp)效应、高调制带宽、良好消光比，而且稳定性相当优越，是高速器件中佼佼者，因此被广泛应用于高速高带宽的长距离通信中。

在美国国防部的一项关于铌酸锂的报告中曾经有过这样一段对铌酸锂的评价：如果电子革命的中心是以使其成为可能的硅材料命名的，那么光子学革命的发源地则很可能就是以铌酸锂命名。

铌酸锂晶体的制备

①同成分铌酸锂晶体：对于同成分铌酸锂晶体而言，其制备主要采用提拉法。虽然泡生法、导模法、温梯法等方法也曾用来进行铌酸锂晶体的制备，但是与提拉法相比并没有明显的优势或具有明确的应用需求，因此并未得到广泛的关注。

②近化学计量比铌酸锂晶体：近化学计量比铌酸锂晶体虽然具备诸多优秀的光电性能，但是其配比偏离固液同成分共熔点，无法采用常规的提拉法生长高质量的晶体，目前主要采用的制备方法有富锂熔体法、助熔剂法、扩散法。

③铌酸锂单晶薄膜：铌酸锂单晶薄膜可以应用在光波导、声学器件等微纳结构以及制备硅基等混合集成器件等方面，人们很早就开始探索铌酸锂单晶薄膜的制备，不过真正得到应用的方法只有“离子切片”(IonSlicing)技术，目前已经实现了商品化，能够提供直径4英寸、厚度300~900nm的单晶薄膜产品。

铌酸锂单晶薄膜

现阶段，铌酸锂晶体生产技术成熟，领先企业市场份额占比较大。在全球市场中，德国爱普科斯、日本住友、德国KorthKristalle是市场份额排名前三的铌酸锂生产企业。

铌酸锂晶体的主要应用

1.压电应用

铌酸锂晶体居里温度高，压电效应的温度系数小，机电耦合系数高，介电损耗低，晶体物化性能稳定，加工性能良好，又易于制备大尺寸高质量晶体，是一种优良的压电晶体材料。

与常用的压电晶体石英相比，铌酸锂晶体声速高，可以制备高频器件，因此铌酸锂晶体可用于谐振器、换能器、延迟线、滤波器等，应用于移动通信、卫星通信、数字信号处理、电视机、广播、雷达、遥感遥测等民用领域以及电子对抗、引信、制导等军事领域，其中应用最为广泛的是声表面波滤波器件(SAWF)。

(a)2.4GHz声表面滤波器(SAW)；(b)小型SAW双工器

2.光学应用

除压电效应外，铌酸锂晶体的光电效应非常丰富，其中电光效应、非线性光学效应性能突出，应用也最为广泛。而且铌酸锂晶体可以通过质子交换或钛扩散制备高品质的光波导，又能够通过极化翻转制备周期性极化晶体，所以在电光调制器、相位调制器、集成光开关、电光调Q开关、电光偏转、高电压传感器、波前探测、光参量振荡器以及铁电超晶格等器件中得到广泛应用。此外，双折射楔角片、全息光学器件、红外热释电探测器以及掺铒波导激光器等基于铌酸锂晶体的应用也有报道。

铌酸锂电光调制器

3.介电超晶格

1962年Armstrong等首次提出了准相位匹配(QPM，Quasi-Phase-Match)的概念，利用超晶格提供的倒格矢来补偿光参量过程中的位相失配。铁电体的极化方向决定非线性极化率χ²的符号，将铁电体内制备出周期性极化方向相反的铁电畴结构就能够实现准位相匹配技术，包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾等晶体都可以制备周期极化晶体，其中铌酸锂晶体是制备和应用该技术研究最早、实际应用最为广泛的材料。

周期极化铌酸锂晶体的初期应用主要考虑应用于激光频率变换，2014年Jin等设计了基于可重构铌酸锂波导光路的光学超晶格集成光子芯片，首次实现了芯片上纠缠光子高效产生和高速电光调制。可以说，介电超晶格理论的提出和发展，将铌酸锂晶体及其他铁电晶体应用推向一个新高度，在全固态激光器、光学频率梳、激光脉冲压缩、光束整形以及量子通信中的纠缠光源等方面具有重要的应用前景。

总之，铌酸锂晶体在光电子方面性能相当突出，下游可应用范围广泛，因此预计未来几年内全球铌酸锂晶体市场需求还会持续稳定增长。

资料来源：

铌酸锂晶体及其应用概述，孙军，郝永鑫，张玲，许京军，祝世宁，人工晶体学报, 2020, 49(6)