隨著“新基建”的提出，5G已逐步進駐我們的生活，云計算、虛擬現實、數據通信與高清視頻等業務也隨之在不斷地發展，帶動核心光網絡向超高速和超遠距離傳輸升級。而在這個過程中，有一個核心器件是必不可少的——那就是鈮酸鋰調制器(LiNbO3)。

　　據悉，鈮酸鋰調制器利用鈮酸鋰晶體的(de)電(dian)光效應并結合光電(dian)子集成工藝制作而成，能夠將電(dian)子數據轉換為(wei)光子信息，是實現電(dian)光轉換的(de)核心(xin)元件。具體(ti)它有何(he)出眾之處，首先(xian)要從其原(yuan)材料鈮(ni)酸鋰晶體(ti)的(de)電(dian)光效應及應用開(kai)始了解。

　　關于鈮酸鋰晶體

　　鈮(ni)酸鋰(li)是(shi)鈮(ni)、鋰(li)、氧的(de)化合(he)物，是(shi)一種自發(fa)極化大（室溫(wen)時0.70C/m2）的(de)負性晶體(ti)，是(shi)目前發(fa)現的(de)居里溫(wen)度最高(gao)（1210℃）的(de)鐵電(dian)體(ti)。

　　鈮酸鋰晶體有兩個特點尤其引人關注，一是鈮酸鋰晶體光電效應多，具有包括壓電效應、電光效應、非線性光學效應、光折變效應、光生伏打效應、光彈效應、聲光效應等多種光電性能；二是鈮酸鋰晶體的性能可調控性強，這是由鈮(ni)酸鋰晶(jing)(jing)體(ti)的(de)晶(jing)(jing)格結構(gou)(gou)和豐(feng)富的(de)缺陷結構(gou)(gou)所導致(zhi)，鈮(ni)酸鋰晶(jing)(jing)體(ti)的(de)諸(zhu)多性能可(ke)以(yi)通(tong)過晶(jing)(jing)體(ti)組分、元(yuan)素摻(chan)雜、價態控制等進行大幅度(du)調控。

　　另外鈮酸鋰晶體的物理化學性能相當穩定，易于加工，光透過范圍寬，具有較大的雙折射，而且容易制備高質量的光波導，所以基于鈮酸鋰晶體的光調制器在長距離通信中有著無可比擬(ni)的優(you)勢——不僅具有很小的啁啾(chirp)效應、高調制帶(dai)寬(kuan)、良好(hao)消(xiao)光比，而且(qie)穩(wen)定性(xing)相當優(you)越，是高速器(qi)件中(zhong)佼佼者，因此(ci)被廣(guang)泛應用于高速高帶(dai)寬(kuan)的長距離(li)通(tong)信中(zhong)。

　　在美(mei)國國防部的(de)一項關(guan)于鈮酸(suan)鋰的(de)報告中曾經有過這樣(yang)一段對鈮酸(suan)鋰的(de)評價：如果電子(zi)革命的(de)中心(xin)是以(yi)使其成為(wei)可能(neng)的(de)硅材料(liao)命名的(de)，那么光子(zi)學革命的(de)發源地則很(hen)可能(neng)就是以(yi)鈮酸(suan)鋰命名。

　　鈮酸鋰晶體的制備

　　①同成分鈮酸鋰晶體：對于同(tong)成分鈮(ni)酸鋰(li)晶(jing)體而(er)言(yan)，其制備(bei)主要采用(yong)提拉法(fa)(fa)。雖然泡生法(fa)(fa)、導模法(fa)(fa)、溫梯法(fa)(fa)等(deng)方法(fa)(fa)也曾用(yong)來進行(xing)鈮(ni)酸鋰(li)晶(jing)體的(de)制備(bei)，但(dan)是與提拉法(fa)(fa)相比并沒有(you)明顯的(de)優勢(shi)或具(ju)有(you)明確的(de)應用(yong)需求，因此并未(wei)得到廣泛的(de)關注。

　　②近化學計量比鈮酸鋰晶體：近(jin)化學計量比(bi)鈮酸鋰晶(jing)體(ti)雖然具備(bei)諸(zhu)多(duo)優秀的(de)(de)光電性能，但(dan)是其配比(bi)偏離固液(ye)同成分共熔(rong)(rong)點(dian)，無法(fa)(fa)采(cai)(cai)用(yong)常規(gui)的(de)(de)提拉法(fa)(fa)生(sheng)長高質量的(de)(de)晶(jing)體(ti)，目前主要采(cai)(cai)用(yong)的(de)(de)制備(bei)方法(fa)(fa)有富鋰熔(rong)(rong)體(ti)法(fa)(fa)、助(zhu)熔(rong)(rong)劑法(fa)(fa)、擴(kuo)散法(fa)(fa)。

　　③鈮酸鋰單晶薄膜：鈮酸(suan)鋰(li)單晶薄(bo)膜(mo)可以(yi)應用在(zai)光波導、聲學器件等微納結構以(yi)及制備硅(gui)基等混合集成器件等方面，人們很早就(jiu)開始探索(suo)鈮酸(suan)鋰(li)單晶薄(bo)膜(mo)的制備，不過真正得到應用的方法只有“離(li)子切片”(IonSlicing)技術(shu)，目前已(yi)經實現了(le)商品(pin)化(hua)，能夠(gou)提供直徑(jing)4英(ying)寸、厚度300~900nm的單晶薄(bo)膜(mo)產品(pin)。

　　現階段，鈮酸鋰晶(jing)體生產技術成熟，領先企業市(shi)場份(fen)額占比較大。在全球市(shi)場中(zhong)，德國愛普科斯(si)、日本住友、德國KorthKristalle是市(shi)場份(fen)額排名前三的鈮酸鋰生產企業。

　　鈮酸鋰晶體(ti)的(de)主(zhu)要應用

　　1.壓電應用

　　鈮(ni)酸鋰晶(jing)體居里溫度高，壓(ya)電(dian)效應的(de)溫度系(xi)數小(xiao)，機電(dian)耦合系(xi)數高，介電(dian)損(sun)耗(hao)低，晶(jing)體物化(hua)性(xing)能(neng)穩定，加工性(xing)能(neng)良好，又易于制備大尺寸高質量晶(jing)體，是一種優良的(de)壓(ya)電(dian)晶(jing)體材(cai)料。

　　與常用的壓電晶體石英相比，鈮酸鋰晶體聲速高，可以制備高頻器件，因此鈮酸鋰晶體可用于諧振器、換能器、延遲線、濾波器等，應用于移動通信、衛星通信、數字信號處理、電視機、廣播、雷達、遙感遙測等民用領域以及電子對抗、引信、制導等軍事領域，其中應用最為廣泛的是聲表面波濾波器件(SAWF)。

　　2.光學應用

　　除壓電效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)外，鈮酸(suan)鋰晶(jing)(jing)體的光(guang)(guang)(guang)電效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)非常(chang)豐富，其中(zhong)電光(guang)(guang)(guang)效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)、非線性(xing)(xing)光(guang)(guang)(guang)學效(xiao)應(ying)(ying)(ying)(ying)性(xing)(xing)能突出，應(ying)(ying)(ying)(ying)用也最為(wei)廣泛。而且鈮酸(suan)鋰晶(jing)(jing)體可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)質(zhi)子交換或(huo)鈦擴散(san)制(zhi)備(bei)高品質(zhi)的光(guang)(guang)(guang)波導，又(you)能夠通(tong)過(guo)極化翻轉制(zhi)備(bei)周期性(xing)(xing)極化晶(jing)(jing)體，所以(yi)在電光(guang)(guang)(guang)調制(zhi)器(qi)(qi)(qi)、相位調制(zhi)器(qi)(qi)(qi)、集成光(guang)(guang)(guang)開關、電光(guang)(guang)(guang)調Q開關、電光(guang)(guang)(guang)偏轉、高電壓傳感器(qi)(qi)(qi)、波前探測、光(guang)(guang)(guang)參量振蕩器(qi)(qi)(qi)以(yi)及(ji)鐵(tie)電超晶(jing)(jing)格等器(qi)(qi)(qi)件中(zhong)得到廣泛應(ying)(ying)(ying)(ying)用。此外，雙折射楔角片、全息光(guang)(guang)(guang)學器(qi)(qi)(qi)件、紅外熱釋(shi)電探測器(qi)(qi)(qi)以(yi)及(ji)摻(chan)鉺波導激(ji)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)等基(ji)于鈮酸(suan)鋰晶(jing)(jing)體的應(ying)(ying)(ying)(ying)用也有報道。

　　3.介電超晶格

　　1962年Armstrong等(deng)(deng)首次提出了(le)準相(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)(wei)匹配(pei)(QPM，Quasi-Phase-Match)的(de)(de)(de)(de)概念(nian)，利(li)用(yong)超晶(jing)格(ge)提供的(de)(de)(de)(de)倒格(ge)矢來補償光參量過程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)位(wei)(wei)相(xiang)(xiang)(xiang)失(shi)配(pei)。鐵電(dian)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)極化(hua)方向決(jue)定(ding)非線(xian)性極化(hua)率(lv)χ2的(de)(de)(de)(de)符(fu)號(hao)，將鐵電(dian)體(ti)(ti)內制(zhi)備出周期性極化(hua)方向相(xiang)(xiang)(xiang)反的(de)(de)(de)(de)鐵電(dian)疇結構就能夠(gou)實現(xian)準位(wei)(wei)相(xiang)(xiang)(xiang)匹配(pei)技術，包(bao)括鈮酸(suan)鋰(li)、鉭酸(suan)鋰(li)、磷酸(suan)鈦氧(yang)鉀等(deng)(deng)晶(jing)體(ti)(ti)都可以制(zhi)備周期極化(hua)晶(jing)體(ti)(ti)，其(qi)中(zhong)鈮酸(suan)鋰(li)晶(jing)體(ti)(ti)是制(zhi)備和應用(yong)該技術研(yan)究最早、實際應用(yong)最為廣泛的(de)(de)(de)(de)材(cai)料。

　　周(zhou)期(qi)極化鈮酸(suan)鋰(li)晶體的(de)初期(qi)應(ying)用(yong)主要考慮應(ying)用(yong)于(yu)激光(guang)(guang)(guang)(guang)頻率變換，2014年Jin等設計了基于(yu)可重構鈮酸(suan)鋰(li)波導光(guang)(guang)(guang)(guang)路的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學超晶格(ge)集成光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)芯片，首(shou)次實(shi)現了芯片上糾(jiu)纏(chan)光(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)高(gao)效產生和(he)高(gao)速電光(guang)(guang)(guang)(guang)調制。可以說，介電超晶格(ge)理論的(de)提出(chu)和(he)發展(zhan)，將鈮酸(suan)鋰(li)晶體及其他鐵電晶體應(ying)用(yong)推向一(yi)個新高(gao)度，在全固(gu)態激光(guang)(guang)(guang)(guang)器、光(guang)(guang)(guang)(guang)學頻率梳、激光(guang)(guang)(guang)(guang)脈沖壓縮、光(guang)(guang)(guang)(guang)束整形以及量子(zi)通信中的(de)糾(jiu)纏(chan)光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)等方面具有重要的(de)應(ying)用(yong)前景。

　　總之，鈮酸鋰晶(jing)體在光(guang)電子方面性能相(xiang)當突出，下游可應用范圍廣泛，因此預計未來幾年內全球鈮酸鋰晶(jing)體市場需(xu)求(qiu)還會(hui)持續(xu)穩定增長(chang)。

　　資料來源：

　　鈮酸(suan)鋰(li)晶體及其應用(yong)概述，孫軍，郝永鑫，張玲，許京軍，祝世寧(ning)，人(ren)工(gong)晶體學報, 2020, 49(6)

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