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鈮酸鋰（LN）于70年前首次合成，已廣泛應(yīng)用于從通信到量子光學(xué)等多種應(yīng)用領(lǐng)域。這些商業(yè)應(yīng)用為建立一個(gè)成熟的高質(zhì)量LN晶體和晶圓的制造和加工業(yè)提供了經(jīng)濟(jì)手段。由于LN能夠產(chǎn)生和操縱從微波到紫外線頻率的廣譜電磁波，商業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展。

在此，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)Andreas Boes教授和北京大學(xué)常林研究員等人在展望LN的未來前景之前，作者對(duì)LN作為一種光學(xué)材料的歷史、其不同的光子平臺(tái)、工程概念、光譜覆蓋和必要的應(yīng)用進(jìn)行了高水平的回顧。相關(guān)論文以“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”為題發(fā)表在Science。

眾所周知，電磁（EM）波以深遠(yuǎn)的方式影響著現(xiàn)代社會(huì)，其廣泛用于信息傳輸，廣播電視、移動(dòng)電信以及通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。在基礎(chǔ)物理學(xué)中，電磁波是探測(cè)從宇宙尺度到原子尺度的物體的寶貴工具。例如，激光干涉儀引力波天文臺(tái)和原子鐘是世界上最精確的人造儀器之一，依靠電磁波達(dá)到前所未有的精度。

近數(shù)十年來，主要集中在寬頻譜范圍內(nèi)開發(fā)相干電磁源，并取得了令人印象深刻的結(jié)果：電子振蕩器可以很容易地產(chǎn)生數(shù)十千兆赫茲（無線電和微波系統(tǒng)）范圍內(nèi)的頻率。諧振隧道二極管能夠產(chǎn)生毫米（mm）和太赫茲（THz）波，其范圍從數(shù)十千兆赫茲到幾太赫茲。在更高的頻率下，通常定義為光學(xué)頻率，固態(tài)和氣體激光器可以產(chǎn)生相干波。然而，這些方法通常受到窄光譜帶寬的影響，它們通常依賴于特定材料的能態(tài)，從而導(dǎo)致光譜覆蓋范圍相當(dāng)有限。

為了克服這一限制，之前的研究已經(jīng)開發(fā)了非線性混頻策略。這些方法將復(fù)雜性從電磁源轉(zhuǎn)移到基于非共振的材料效果。特別是在光學(xué)狀態(tài)下，存在大量支持適合混頻效果的材料。在過去的二十年中，控制這些材料形成導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（波導(dǎo)）的想法提高了效率，小型化以及生產(chǎn)規(guī)模和成本，并已廣泛用于各種應(yīng)用。

圖1. 鈮酸鋰的光譜覆蓋范圍

鈮酸鋰是一種于1949年首次生長(zhǎng)的晶體，由于其有利的材料特性，是一種特別有吸引力的光子材料，用于頻率混合。幾十年來，塊狀鈮酸鋰晶體和弱約束波導(dǎo)一直用于訪問電磁頻譜的不同部分，從千兆赫茲到太赫茲頻率。

現(xiàn)在，由于薄膜鈮酸鋰（TFLN）的商業(yè)可用性，這種材料重新引起了人們的興趣。這種集成的光子材料平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的模式限制，從而使混頻效率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)通過使用色散工程等方法為光學(xué)特性工程提供額外的自由度。重要的是，TFLN的大折射率對(duì)比度首次實(shí)現(xiàn)了基于鈮酸鋰的光子集成電路。

鈮酸鋰光子學(xué)在電磁波生成中的寬光譜覆蓋范圍、超低功耗要求和靈活性，為探索新的器件功能提供了大型工具集。此外，在代工廠采用鈮酸鋰集成光子學(xué)是一種有前途的方法，可以使用晶圓級(jí)生產(chǎn)使基本臺(tái)式光學(xué)系統(tǒng)小型化?；钚圆牧吓c鈮酸鋰的異質(zhì)集成有可能創(chuàng)建具有豐富功能的集成光子電路。

因此，受益于這些進(jìn)步，高速通信、可擴(kuò)展量子計(jì)算、人工智能和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算以及用于衛(wèi)星和精密傳感會(huì)為商業(yè)探索提供大量機(jī)會(huì)。此外，鈮酸鋰中的塊狀晶體和弱約束波導(dǎo)有望在不久的將來繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，它們?cè)诟吖β屎蛽p耗敏感的量子光學(xué)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。因此，鈮酸鋰光子學(xué)在解鎖EM光譜和重塑未來社會(huì)信息技術(shù)方面具有巨大的希望。

圖2. LN作為光子材料的時(shí)間線

圖3. 用于產(chǎn)生和控制電磁波的LN材料特性

圖4. LN技術(shù)中使用的工程概念，且在寬光譜范圍有效耦合

圖5. LN光譜覆蓋

Andreas Boes*?, Lin Chang*?, Carsten Langrock?, Mengjie Yu, Mian Zhang, Qiang Lin, Marko Loncˇar, Martin Fejer, John Bowers Arnan Mitche, Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4396

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