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)。



铌酸锂单晶薄膜


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 0.70 C/m2)的负性晶体,是目前发现的居里温度最高(1210 ℃)的铁电体。



2  (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为引人关注,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造成,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。


哈佛大学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,能够提供厚度为 300~900 nm的单晶薄膜产品。



3 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)。



4  (a) 2.4 GHz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。



5 铌酸锂电光调制器


3)介电超晶格

1962Armstrong等首次提出了准相位匹配 (QPMQuasi-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,2014Jin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。



铌酸锂晶体的展望


1)声学应用

目前的第五代移动通信网络(5G)部署包含了 3~5 GHz sub-6G 频段以及 24 GHz以上的毫米波频段,通信频率提高不仅要求晶体材料压电性能能够满足,也要求晶片更薄、叉指电极间距更小,器件的制备工艺受到极大挑战。


因此,在4G时代及以前所广泛应用于铌酸锂晶体和钽酸锂晶体制备的声表面滤波器,在5G时代面临着声体波器件 (BAW) 和薄膜腔声谐振器件 (FBAR) 的竞争。


铌酸锂晶体在更高频率的滤波器方面研究进展很快,材料和器件制备技术仍然表现出巨大的潜力。随着铌酸锂单晶薄膜材料以及新型声学器件技术的发展,作为未来5G通信的核心器件之一,基于铌酸锂晶体的前端射频滤波器具有重要的应用前景。


2)光通信应用

光调制器是高速光通信网络的关键器件,未来对铌酸锂电光调制器的要求包括更高调制速率以及小型化、集成化。


目前商业应用的铌酸锂电光调制器以 40/100 Gbps为主,更高速率的铌酸锂调制器已经被开发,例如2017年富士通就发布了 600 Gbps的铌酸锂电光调制器,目前 400 Gbps 600 Gbps的产品正在逐步进入市场。


光通信技术是第五代移动通讯网络建设的重要一环,而铌酸锂电光调制器作为其中的核心器件,也会迎来更大的发展。


3)光子集成芯片

光子已经在高容量通信、光存储、信息传递、信息处理、探测等领域得到了广泛应用,与电子学从分立元件到集成电路的发展一样,光子学器件的微小型化、集成化、低功耗、模块化、智能化和高可靠性等要求越来越高,集成光子学芯片必然会替代分立光学元件。前期集成光子学芯片的发展主要是光通信需求的牵引,围绕硅基光子学和磷化铟基集成开展研究。


硅基光子学集成芯片因为庞大的成熟半导体材料和工艺技术体系而发展很快,但硅基激光器制备技术一直是其中的短板,目前依赖与磷化铟混合集成;部分磷化铟集成光子芯片已经获得商业化应用,性能也比硅基光子学集成芯片更加优秀,但缺乏像硅一样的通用工艺平台,工艺技术复杂,价格昂贵。


由光通信需求牵引的铌酸锂基集成光子学研究,主要围绕马赫-曾德干涉光强调制器、相位调制器以及集成光开关等方面开展。


除光通信领域对集成光子学的需求外,基于光子学的光量子信息处理、光计算、生物传感、成像探测、信号处理、存储、三维显示等未来需求更加庞大,与硅或磷化铟等混合集成的方案难以适用。


从单项技术发展来看,几乎所有的光子学元件都已经基于铌酸锂晶体实现,包括:

  • 通过稀土掺杂实现的锁模激光器、调Q激光和光放大等;

  • 钛扩散和质子交换实现的光波导以及集成光开关、光交叉、光耦合以及单光子探测等;

  • 利用电光效应实现的强度、相位和偏振的调制、波前探测和光脉冲选择等;

  • 利用非线性光学效应实现的光频率变换、量子纠缠态光子产生;

  • 利用光折变效应实现的光栅、全息存储、相位共轭器、空间光调制器等;

  • 铌酸锂光子晶体、铌酸锂光学微腔发展起来的全光逻辑门、半加器、频率梳等新型器件;

  • 通过压电效应、热释电效应、光弹效应等实现对力、热、光等信号之间的相互转换与传感。


在目前发展较为成熟的光电材料体系中,基于同一个基质材料发展如此多的基本光学元件、光子学器件和光电器件是罕见的,这也让人们对铌酸锂晶体未来在集成光子学芯片发展中发挥更重要作用充满了期待。



6 铌酸锂晶体制备的超表面微纳结构(来源:南开大学)


铌酸锂晶体集多种光电性能于一体且能够达到实用化性能要求,在光电材料中非常罕见。随着铌酸锂晶体集成光子学芯片理论、制备及应用等核心技术的发展与完善,铌酸锂晶体成为光子时代的“光学硅”材料,为集成光子学的发展提供战略性基础支撑。