南开Adv. Mater. 铌酸锂的最新进展：光学损伤，缺陷模拟和片上器件

【引言】

铌酸锂（LN）是最重要的合成晶体之一。在过去的二十年中，在材料技术，理论理解和LN晶体应用方面取得了许多突破。作者们报道了最近很多关于LN的光学损伤、缺陷模拟和片上器件的研究的最新进展。光学损伤是LN晶体实际使用的主要障碍之一。最近的结果表明，掺杂ZrO₂不仅可以使LN在可见光中产生更好的光学损伤抗性，而且还可以改善其紫外区域的电阻。直接从实验研究中提取缺陷特征及其与LN晶体物理性质的关系仍然很不方便。最近的理论模拟研究提供了内在缺陷模型的详细描述，掺杂剂的位置占据以及由于外在缺陷引起的能级变化。 LN被认为是最有前景的集成光子学平台之一。受益于智能切割，直接晶圆键合和层转移技术的进步，在过去十年中，绝缘体上的LN已经取得了很大进展。作者们报道了最近片上LN微光子器件和非线性光学效应，特别是光折变效应的最新研究进展。

【成果简介】

近日，南开大学的孔勇发（第一作者和通讯作者）教授和徐京军教授（通讯作者）在国际顶级期刊Adv. Mater.上发表了综述文章：Recent Progress in Lithium Niobate: Optical Damage, Defect Simulation, and On-Chip Devices。受益于智能切割，直接晶圆键合和层转移技术应用于LN，并且由于绝缘体上的铌酸锂（LNOI）晶片的商业可用性(类似于绝缘体上硅, 其在LN 薄膜中提供光限制），因此在芯片上制造允许密集集成的光子器件在过去十年中取得了很大进步。 一些研究人员甚至声称，LN可能成为光子芯片中的硅。 本文中，作者们将回顾有关强光束LN光子器件的最新进展，包括波导，电光调制器，波长转换器和耦合器。

【图文导读】

图一. 通过LN晶体后透射的UV光（波长351nm，强度1.6×105 W cm^-2）的光束畸变。

a) CLN和b-d）LN：Zr分别掺杂0、2.0和5.0 mol％ZrO₂。 e）UV：Zr的UVPR衍射效率和饱和折射率变化作为ZrO₂掺杂浓度的函数。 为了比较，空心符号显示掺杂有5.0 mol％MgO的LN：Mg晶体的数据。

图二. 连续激光照射5分钟后入射和透射的激光束斑点。

a）入射光束点。 b-d）1.0mol％Bi ₂ O ₃和b）3.0 mol％，c）5.0 mol％和d）6.0 mol％MgO共掺杂LN（LN：Bi，Mg _3.0，LN：Bi，Mg _5.0和LN：Bi，Mg_6.0，而（a），（c）和（d）的光强度为5.8×106 W cm^-2，（b）为7.8×102 W cm^-2。 e）LN的衍射效率（左）和折射率变化（右）和f）光折变响应时间（左）和灵敏度（右）：Bi，Mg晶体作为MgO浓度的函数。 为了比较，还绘制了1.0 mol％Bi ₂ O ₃单态LN（LN：Bi）晶体的数据。

 图三. 文献中提到的Li空位模型的三个配置。

a）Kim的模型：缺陷簇4-5-6-8（红色）与体极化方向平行; 簇1-2-3-7（黑色）与体极化方向反平行。 b）Xu等提出的模型，代表第一个近邻（FNN）中锂空位的六个可能位置。 c）Li等人提出的模型：标记为1-3的原子是Nb反位的第二近邻。 偶极矩从带负电的缺陷中心（锂空位）引导到带正电的缺陷中心（铌反位）。 d）Wang等人的缺陷结构：原子1和2是最近邻，而原子3和4是Nb反位的第二近邻。 由缺陷簇形成的电偶极矩垂直于晶体的自发极化方向。

 图四. 在Li-缺陷条件下，Mg掺入Li和Nb位置的能量以及LiNbO₃中的主要本征点缺陷Nb_Li ⁴⁺和V_Li ^- 作为Fermi能量的函数。

仅指示每个缺陷的最稳定的电荷状态。 费米能量范围对应于LiNbO₃的基本带隙。

 图五. 缺陷形成能。

a）Fe²⁺和b）Fe³⁺相对于Nb₂O₅参考态的每个缺陷的缺陷形成能。 a，b）c）由Fe^2+/3+占据Li或Nb位置形成的缺陷簇的形成能和相对于Nb₂O₅的锂空位。

图六.  Fe_Li²⁺ 、Fe_Li ³⁺ 和Hf_Li ³⁺的能带结构。

图七. LNOI上的典型波导。

a）线波导和镜像谐振器。 b）在LNOI顶部具有SiN波导的混合脊形波导。 c）通过质子交换制造的弱波导。

图八. 微盘谐振器。

a-d）通过使用飞秒激光烧蚀，化学机械抛光和湿法蚀刻制造质量因子为1.6×107的LN微盘谐振器。 e，f）高Q LN微盘谐振器的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图九. 集成LN电光调制器，兼容CMOS驱动电压。

a）集成LN调制器的数据传输设置示意图。 b）传统LN调制器的数据传输设置。 c）作为20mm器件的电压函数的归一化光传输，显示1.4V的半波电压.d）制造的LN电光调制器的显微镜图像。

图十. 设备示意图和电光频梳的频谱。a）设备的示意图。 b）电光频率梳的频谱。 

【小结】

LN：Mg被认为是具有最佳抗光损伤性的材料，但最近的结果表明LN：Zr不仅在可见光区域具有更高的光学损伤抗性，而且在UV中也具有更高的光学损伤抗性。由于Zr还具有接近1.0的有效分布系数和接近2.0mol％的低掺杂阈值，因此LN：Zr似乎是目前最佳的抗光损伤LN材料。已知LN：Zr晶体具有低得多的光折射率和更高的光电导率，但机理仍不清楚。模拟计算可以为我们提供更好的理解。 LN：Bi，Mg表现出高的光学损伤抗性和良好的光折变特性。这表明光学损伤与光折射不完全相同。 LN的光折变机制：Bi，Mg表明通过扩散的电荷传输对LN晶体的光学损伤几乎没有影响。因此，光伏效应是LN中光学损伤的主要来源。该结论清楚地向我们展示了通过控制其光伏效应来减少LN的光学损伤是有效的方法。 LN的模拟计算不仅给出了本征缺陷类型，而且还给出了缺陷簇的缺陷配置，不仅是不同条件下杂质的位置占用，而且还有费米能量的变化。最近，在计算掺杂多价离子的LN方面也取得了很大进展。

由于超级电池的限制，分析共掺LN晶体的位置选择性和性能优先级以及掺杂浓度的缺陷结构变化是一项艰巨的工作。虽然有些结果仍然不如我们所希望的那样准确，但随着理论方法的发展，可以预期模拟计算将提供有关LN晶体和器件设计的更多信息。在过去十年中，集成LN器件的制造，主动调谐和非线性光学效应取得了重大进展，特别是在LNOI芯片上。通过半导体兼容制造技术成功地实现了具有≈1μm²横截面积和0.03dB cm^-1损耗的波导以及质量因子为一千万的微环谐振器。

传统的光学抛光技术不仅用于降低表面粗糙度并因此改善LN装置的质量，而且还用于在LNOI芯片上制造LN装置。在低驱动电压下允许在100GHz下快速调制的电光调制器被证明具有非线性光学效应，具有高效率和低泵浦功率。还一些研究表明在当前光通信系统中使用的LN器件和单模光纤之间的耦合。一侧的耦合损耗降低到某个dB m^-1。

然而，为了在LN芯片上构建光子处理系统，仍然存在许多技术难题，需要不计成本的解决： 1）迫切需要解决LN芯片和光纤之间有效耦合的问题； 2）集成在一个芯片上的光源和检测器对于介电材料相对于半导体材料的光子集成始终是一个严重的问题。将诸如GaAs和InP的有源半导体组合到LN芯片的混合结构是最实用的解决方案。使用掺有发光活性离子的LN薄膜可以是另一种方法； 3）偏振器，偏振复用器和波分复用器等光学器件仍在研究中。需要通过考虑相对于LN的晶体结构的方向的光偏振来优化这种器件的性能，这与在各向同性材料中传播的光的情况不同。

总的来说，虽然在LN上构建整体电子光电系统存在技术问题需要解决，但LNOI已经显示出实现商业化的巨大潜力，因为我们不会面临无法克服的限制。

文章链接：Recent Progress in Lithium Niobate: Optical Damage, Defect Simulation, and On-Chip Devices.  (Adv. Mater., DOI: 10.1002/adma.201806452)

本文由材料人编辑部电子材料学术组踏浪供稿，材料牛编辑整理。