清华李杨课题组综述：集成铌酸锂光子学

来源：两江科技评论

导读

绝缘层上铌酸锂（LNOI）因其优良的电光效应和非线性效应成为近年来最热门的集成光学材料平台之一。得益于加工技术的发展，在LNOI上加工超高品质的波导、微腔和非线性结构正在成为现实，利用这些结构实现的集成光电子器件也获得了性能的大幅提升。铌酸锂集成光子学正在成为当前学界和工业界的热门领域。

近日，来自清华大学的作者祁一凡和通讯作者李杨，在期刊《Nanophotonics》上发表了综述文章《Integrated Lithium Niobate Photonics》，对基于LNOI的集成光电子学常用结构、器件、系统的研究进展做了综述。

作者分别从以下四个方面进行展开：

（1）LNOI的加工技术和LNOI集成光电子器件的基本结构。作者以波导、谐振腔、周期极化铌酸锂（PPLN）和光耦合结构为基础，详细介绍了这些基本结构的设计思路、加工方法、物理性质和研究进展。利用这些设计和加工技术，可以组合出集成光电子器件常用的大部分器件结构。（图1）

（2）LNOI集成光电子器件。本文详细介绍了以电光调制和非线性效应为基础的常用LNOI集成光电子器件，包括集成电光调制器、非线性光学器件和频率梳等。文章系统性地回顾了这些器件的设计方法和研究前沿进展。

（3）以LNOI集成光电子器件为基础的系统性应用。作者回顾了以光通信、数据中心、微波光子学、量子光学、精密测量系统为代表的集成光电子系统性应用中LNOI器件所发挥的核心作用以及为系统性能带来的核心提升。

（4）对铌酸锂集成光子学未来研究发展方向的总结与展望。

图1 片上集成铌酸锂光子学器件基本结构

创新研究

01 LNOI器件的基本结构

设计制造铌酸锂集成光子学器件的核心是高质量地设计和加工铌酸锂片上波导和谐振腔。本文第2章较为详细地介绍了这些器件的结构、设计方法、性能指标以及对LNOI进行加工的常见方法。

波导是最重要的集成光子学结构。块状铌酸锂时代常使用钛扩散法和质子交换法形成波导，这种方式制作出的波导直径大、折射率差小，光学性能受限。得益于LNOI的薄膜结构，现在可以用湿法刻蚀（Wet etching）、干法刻蚀（Dry etching）、钻石切割（Diamond dicing）、化学机械切割（Chemical mechanical polishing）、飞秒激光直写等方法制造脊波导。脊波导具有物理上的材料边界，可以实现较大的折射率差和较窄的波导宽度，从而可以针对不同的波长和偏振态自由设计光场局域性能强的单模或多模波导。

波导的损耗是衡量波导性能的关键指标。与其他材料平台相比，LNOI的性质可有效避免带间吸收和自由载流子吸收，理论最低损耗值可达到0.001dB/cm。借助工艺的不断改善，干法刻蚀和化学机械抛光加工的LNOI脊波导损耗值已可达0.027dB/cm，足以与主流材料平台相媲美。

光学谐振腔也是非常重要的集成光子学结构（图2），具体可分为微环腔和微盘腔。借助与加工波导相似的方式，微环腔和微盘腔都可实现非常高的性能。最新的工作成果表明，干法刻蚀法和化学机械切割法都已成功加工出Q值高达107以上的光学微腔，这一数值已经完全不弱于硅基或氮化硅光学微腔。

图2 基于LNOI加工的微盘腔和微环腔

PPLN是非线性光学领域利用铌酸锂实现准相位匹配的经典设计。借助脊波导的高光场局域性，在LNOI实现更加简单且高效的PPLN。实验表明，采用LNOI脊波导设计的PPLN结构可使二次谐波的转换效率提升超过20倍。

02 铌酸锂集成光子学器件

铌酸锂材料以其高电光系数和非线性系数闻名。利用上述LNOI基本结构，我们可以实现电光调制器、频率转换器、光学频率梳等许多在各个领域有重大应用价值的集成光子学器件。本文第3章详细介绍了这些器件的原理、设计方法和研究进展。

电光调制器是铌酸锂高电光效应的最重要的应用。借助于LNOI得天独厚的脊波导结构，调制器的电极间距可以被设计得更近，从而极大提升电光调制器的3 dB带宽并大幅降低调制电压。本文以马赫-曾德尔型（MZI）电光调制器为主线，介绍了铌酸锂集成电光调制器的设计方法，包括电极设计中的群速度匹配、阻抗匹配对光场性能的影响，不同设计指标对消光比、半波电压、3 dB带宽等的影响和权衡等。铌酸锂集成电光调制器目前正在驶入发展的快车道，目前已经可以实现在CMOS兼容电压之内（1.4 V）通过厘米级长度的器件达到45 GHz的3 dB带宽。文中还对微环调制器等其他形式的电光调制器作了介绍。

利用铌酸锂的高非线性系数，我们可以制作大量的光学频率转换元件，借助二次谐波发生（SHG）、和频（SFG）、差频（DFG）等过程实现光学频率转换。借助周期极化铌酸锂（PPLN）结构、周期开槽铌酸锂（PGLN）等实现准相位匹配，或在微盘腔等结构中实现模间相位匹配等过程，LNOI光学频率转换元件可以实现非常高的二阶非线性转换效率，这是硅基光子学器件所难以实现的。同时，借助二阶非线性效应之间的级联，LNOI还能实现更多的频率转换与调制功能：如SHG和SFG级联生成三次谐波、SFG和电光调制级联生成调制和频光、SFG和DFG级联生成光学频率梳等。（图3）

图3 利用级联二阶非线性过程实现的LNOI频率转换元件

在这些器件的基础上LNOI还可以被用来制造超高品质的光学频率梳。不同于传统的克尔梳，使用二阶非线性原理的电光调制光频梳可以实现宽带、平坦、可调谐的新功能。图4展示了一种新型的电光频率梳，借助高质量的波导、高Q值的微环腔和精心设计的电光调制元件，光在微环腔中被反复进行相位调制，从而生成足够多的边带以形成宽带频率梳。与克尔频率梳相比，这种光频梳具有更高的稳定性和极强的可调谐性能。

图4 电光调制光频梳

03 LNOI集成器件的系统级应用场景

当前的集成铌酸锂光电子研究主要还处在器件级阶段，系统级和工业级的应用仍然较少。本文的第四章列举了基于铌酸锂集成光电子器件的系统级应用场景，包括光通信、数据中心、微波光子学、量子光学、精密测量系统等。利用LNOI集成器件可有效降低这些系统级应用的体积、能耗，并提升性能和稳定性。

在光通信和数据中心中，调制器是最基本、最重要的模块之一。利用LNOI片上集成调制器取代传统的块状铌酸锂调制器，不仅能使调制速率有所提高，并使调制电压大幅降低，甚至可以用CMOS集成电路直接驱动，这将使得调制器的功率大幅降低，从而减小整机能耗，并最终实现光模块全集成的目标。

微波光子学的核心思想将微波信号调制到光信号之上，利用光调制的手段处理微波信号，光调制器在此发挥了重要作用。利用LNOI片上集成调制器，可以更高效地将高频微波信号调制到光波上，提升器件的整体性能。此外，光频梳、滤波器等器件也常被用于微波光子学系统中，LNOI片上集成结构也将为这些部件提供更高性能。

量子光学中非常重要的一个过程是自发参量下转换（SPDC）。这是一个二阶非线性过程，LNOI片上PPLN结构的极高效率将会给这一领域的应用，如纠缠光子对生成，带来新的生机。单光子探测器和量子存储器也可以用集成铌酸锂光子学的手段来实现。

精密测量中经常用到光频率梳，一些测量方法需要用到可调谐重频的光频梳。与传统的锁模激光器、克尔光频梳等相比，电光频梳能提供独一无二的可调谐性，从而将外差干涉法中所需要的两个频梳减少到一个。利用铌酸锂片上电光频率梳，作者在文中提出了一种实现单光梳绝对距离测量的方法（图5），利用连续调谐重频的频梳和马赫-曾德干涉仪实现绝对距离测量，预计可以在数十米的量程之内实现亚微米级精度。

图5 单电光梳绝对距离测量

总结与展望

LNOI材料平台与干法刻蚀、化学物理抛光等加工技术让铌酸锂这一古老而又充满活力的材料走进了集成化时代，集成铌酸锂光子学让各种各样的光电子器件提升了性能、缩小了体积，集成铌酸锂光子学正在为集成光电子领域赋能，一场全新的光电子器件革命正在到来。展望未来，集成铌酸锂光子学还有如下发展方向：

（1）高性能非线性与量子光学器件。2020年来，一些LNOI非线性器件领域的研究取得了成果，它们包括宽带二阶非线性频率转换器件、克尔频率梳和拉曼散射等三阶非线性器件。这将提升LNOI非线性与量子光学器件的性能，并拓展其适用范围。

（2）紫外、可见光、中红外器件。目前集成铌酸锂光子学器件研究多集中于可见光波段，利用频率转换器件与其他器件的结合，可实现紫外、可见光、中红外频段的集成铌酸锂光电子学器件和系统。铌酸锂具有较宽的频谱透明区间（400纳米 – 5微米），向铌酸锂薄膜中掺镁可使频谱透明区间进一步向紫外区段扩展，以实现集成铌酸锂光子学在上述频段的应用。光传感是这些频段的一个典型应用案例。

（3）光计算与信号处理。MZI网络已经被用于实现一些非常简单的光计算和信号处理功能，利用LNOI制成的MZI网络具有低时延、低损耗、可调谐等特性，将会为光计算与信号处理领域提供广阔的发展空间。

（4）逆向设计器件。目前大多数器件都采用从结构设计到性能指标的正向设计流程，采用逆向设计将会最大化集成铌酸锂器件的优越性能，并有助于实现一些正向设计所难以做到的功能。

（5）进一步降低生产加工成本、提高集成度。目前的加工方式仍然只适用于单个或小批量加工，使得集成铌酸锂光电子学很难走出实验室，发展光刻或纳米压印工艺可能有助于更好地解决加工成本问题，使得一次性批量制备LNOI集成芯片成为可能，从而能将更多的器件整合到单芯片上，以实现光子芯片的单片集成。