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重磅！北京大学，2023年首篇《Science》！

2023-01-06 17:21:13 0 375

一、研究背景

现代社会的技术发展与我们利用电磁波的能力密切相关。广泛的电磁光谱，从无线电波和微波，到红外辐射、可见光、紫外线(UV)辐射，再到高能X射线和γ射线，已经改变了我们记录图像、携带信息和传输能量的方式。在电磁波精密控制的推动下，过去几十年在高速通信、超精密时频计量、生物成像和信息科学等广泛领域取得了显著突破。

电磁波的产生和操纵是所有科学和技术探索的核心。根据频率的不同，有几种主要的生成和处理策略:射频(RF) (<~100 GHz)信号可以很容易地由微波振荡器产生，然后通过传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件进行操作。例如，可以通过谐振隧道二极管产生频率大于100 GHz(通常称为毫米波)到几个太赫兹的信号，并由使用硅或III-V半导体的高速电子设备处理。对于光学波段的更高频率(10太赫兹到1 PHz)，最常见的产生电磁波的方法是使用固体、光纤、气体和半导体激光器。尽管这些策略已经成功地实现了许多应用，但每个平台单独只能提供有限的光谱覆盖，因为特定平台依赖于定义良好的能带或固态材料、原子和分子的水平。

为了克服这一限制，引入了另一种重要的参数非线性混频策略。该过程从光学频率(数百太赫兹)开始，利用宽带参数非线性效应进行多波混合，根据需要解锁以前无法获得的EM频率。这种方法将复杂性从定制的EM波源转移到非共振材料效应，可以设计额外的自由度，允许以前所未有的控制和性能访问更广泛的EM频谱(太赫兹到PHz)。除了非线性频率混合之外，电磁频谱的GHz到THz部分可以通过微波-光学转换进行桥接，从而通过完善的CMOS电子器件实现对电磁波的高效处理。

在过去的几十年里，这些前景刺激了广泛的非线性和光电材料平台的发展。在这些平台中，铌酸锂(LiNbO₃或LN)被称为“光子学的硅”，被证明特别适合于产生和操纵EM频率，因为它提供了一种罕见的优势特性的组合:(i)大的电光、压电和非线性光学材料系数;(ii)通过准相位匹配(QPM)和波导色散进行速度匹配的工程性;宽透明度(400纳米至5微米);(四)长期稳定;以及(v)大型、低成本、光学质量晶圆的广泛商业可用性。这使得LN成为一种关键的光子材料，有潜力扩大对EM光谱超宽部分的访问，并支持下一代科学突破和商业产品。

二、研究成果

铌酸锂(LN)于70年前首次合成，已广泛应用于从通信到量子光学的各种应用领域。这些大量的商业应用为建立成熟的高质量LN晶体和晶圆制造和加工行业提供了经济手段。由于LN能够在从微波到紫外频率的广谱范围内生成和操作电磁波，已经实现了对商业产品的突破性科学演示。在这里，北京大学常林研究员课题组和澳大利亚皇家墨尔本理工大学Andreas Boes教授课题组合作对LN作为一种光学材料的历史、其不同的光子平台、工程概念、光谱覆盖率和基本应用进行了高水平的回顾，然后对LN的未来进行了展望。相关论文以“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。祝贺！

三、图文速递

图1. LN作为光子材料的时间轴

图2. 用于产生和操纵电磁波的LN材料特性

LN是一种铁电晶体，1949年首次以多晶形式合成。从这一发现开始，人们花了15年的时间，才进一步研究确定了这种材料的特征电光和二阶非线性光学特性。利用zzochralski技术生长单晶LN是一个突破;这种技术的光学质量晶圆直径可达150毫米(6英寸)，并且有多种晶体成分，如全等晶体、近化学计量晶圆、掺杂碱性金属或过渡金属晶圆，都可以在市面上买到。在过去的几十年里，出现了三种主要的LN光子平台，即块状晶体、弱约束波导和紧约束波导，其演变可以在图1中看到。

大块LN晶体由于其与自由空间光学装置的兼容性、处理高光功率的能力、易于制造和低成本而被广泛应用于产生和操纵EM波。这种晶体通常是毫米到厘米尺度的LN块，具有光学级抛光面(见图1右侧)。大块LN晶体的早期演示包括电光调制和二次谐波(SHG)。当观察到在室温下施加高电场可以局部逆转LN晶体的自发极化时，出现了突破性的发现。这一过程被称为“电场极化”，为不同波之间的相速度匹配(即动量守恒)开辟了一条可靠的途径，并使先前探索的依赖高温离子扩散过程的畴反演方法过时。光折变是在研究LN的非线性器件时首次发现的，后来为LN中的高密度数据存储提供了手段。大块晶体也可以通过仔细抛光其切面形成圆盘或环形腔的形状。这样的光盘可以形成所谓的低语廊谐振器，其质量因子达到数亿，使它们对高相干光波或微波源和非线性光学应用具有吸引力。

最近，研究表明，铁电畴工程也可以通过使用聚焦到晶体中的飞秒激光脉冲在三维中实现。这一演示为以前不可行的新型波混合器件(如三维非线性光子晶体)提供了机会。体晶体在光学腔结构中特别有吸引力，如参数振荡器 (见图2)，以增强非线性相互作用。它们也适用于高功率应用，用于激光腔内(q开关，腔内SHG)，或在使用超短，高峰功率激光脉冲时使用。

图3. LN技术中使用的工程概念可实现宽光谱范围的高效耦合

图4. LN光谱覆盖率

从长远来看(10年或更长时间)，TFLN将基于大规模(超过200毫米直径的晶圆)铸造工艺，采用各种异质集成材料和封装电子电路。这种平台将是扩大光学网络方案的绝佳选择，其中需要以可编程的方式耦合大型经典或量子光源阵列或处理单元。这将从根本上实现创新应用，如完全集成的激光雷达和ONNs、量子计算、完全集成的频率合成器、大规模RF信号处理网络和先进传感器。例如，光子AI加速器需要一组低能量成本的电光调制器和非线性光子激活组件。除了神经网络，用于光学计算的其他光子架构，如相干伊辛机器，也需要大量基于光子的人工自旋，由可重构的all-to-all耦合矩阵连接。无论是否使用时间或空间复用方法，TFLN器件对于实现基于简并OPOs的光子自旋以及基于振幅和相位调制器的延迟线或Mach-Zehnder干涉仪网格的自旋-自旋耦合至关重要。在这种耦合谐振器网络中，合成维度的拓扑研究也可能是有趣的。

量子工程的一个重大挑战是实现极端光学非线性(理想情况下是单光子水平)，这需要改进材料加工和纳米工程。我们确实看到了在未来的量子PICs中使用LN逐渐改善光学非线性的好处。这将有利于量子光子系统，在这些系统中，需要空间多路自发参数下转换源和快速反馈光开关来实现近确定性单光子源或需要高质量压缩态的大规模连续变量计算。关于量子通信网络和全光信号处理，我们设想光谱时间整形和量子转导技术将被用于克服量子发射器的不均匀性或弥合异质量子系统之间的光谱差异。此外，LN基于电光效应的低损耗快速调制能力在几乎所有的量子系统中都是必不可少的，可以提高处理速度，减少系统损耗。

四、结论与展望

铌酸锂晶体首次生长于1949年，由于其良好的材料性能，是一种特别有吸引力的频率混合光子材料。大块铌酸锂晶体和弱约束波导几十年来一直被用于访问EM频谱的不同部分，从千兆赫到千兆赫频率。现在，由于薄膜铌酸锂(TFLN)的商业可用性，这种材料正在经历新的兴趣。这种集成的光子材料平台实现了紧密的模式约束，从而使频率混合效率提高了几个数量级，同时通过使用色散工程等方法为光学特性工程提供了额外的自由度。重要的是，TFLN的大折射率对比度首次实现了以铌酸锂为基础的光子集成电路。LN是一种全方位的高性能光学材料，能够在覆盖近五个数量级的光谱范围内按需生成和操纵EM频率，具有可靠的历史证明，并且基于其纳米光子平台的近期到长期应用的多样化组合不断增长。值得注意的是，作者预计使用TFLN的PIC将需要异构集成，以实现LN的诱人材料特性与高效光源和探测器的集成。这可以通过在TFLN波导平台上异构地集成此类PIC元件或将LN薄膜集成到其他PIC材料平台上来实现。不管它的模态(大块晶体、弱受限波导或紧密受限波导)或实际上是积分方法，LN都有很大的优势来克服所述的挑战，成为解锁EM光谱的首选材料平台，并在未来几年继续为光学科学带来革命。

五、文献

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4396

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