隨著“新基建”的提出，5G已逐步進駐我們的生活，雲計算、虛擬現實、資料通訊與高畫質影片等業務也隨之不斷地發展，帶動核心光網路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——那就是鈮酸鋰調製器（LiNbO3）。

圖1 鈮酸鋰調製器

據悉，鈮酸鋰調製器利用鈮酸鋰晶體的電光效應並結合光電子整合工藝製作而成，能夠將電子資料轉換為光子資訊，是實現電光轉換的核心元件。具體它有何出眾之處，首先要從其原材料鈮酸鋰晶體的電光效應及應用開始瞭解。

關於鈮酸鋰晶體

鈮酸鋰是鈮、鋰、氧的化合物，是一種自發極化大（室溫時 0。70 C/m2）的負性晶體，是目前發現的居里溫度最高（1210 ℃）的鐵電體。

圖2 （a）3英寸光學級名義純同成分鈮酸鋰晶體；（b）摻鐵鈮酸鋰晶體

鈮酸鋰晶體有兩個特點尤為引人關注，

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效能；

二是鈮酸鋰晶體的效能可調控性強

，這是由鈮酸鋰晶體的晶格結構和豐富的缺陷結構所造成，鈮酸鋰晶體的諸多效能可以透過晶體組分、元素摻雜、價態控制等進行大幅度調控。

另外鈮酸鋰晶體的物理化學效能相當穩定，易於加工，光透過範圍寬，具有較大的雙折射，而且容易製備高質量的光波導，所以基於鈮酸鋰晶體的光調製器在長距離通訊中有著無可比擬的優勢——不僅具有很小的啁啾（chirp）效應、高調製頻寬、良好消光比，而且穩定性相當優越，是高速器件中佼佼者，因此被廣泛應用於高速高頻寬的長距離通訊中。

哈佛大學曾經有過這樣一段對鈮酸鋰的評價：

如果電子革命的中心是以矽材料命名的，那麼光子學革命的發源地則很可能就是以鈮酸鋰命名。

鈮酸鋰晶體的製備

（1）同成分鈮酸鋰晶體

對於同成分鈮酸鋰晶體而言，其製備主要採用提拉法。雖然泡生法、導模法、溫梯法等方法也曾用來進行鈮酸鋰晶體的製備，但是與提拉法相比並沒有明顯的優勢或具有明確的應用需求，因此並未得到廣泛的關注。

（2）近化學計量比鈮酸鋰晶體

近化學計量比鈮酸鋰晶體雖然具備諸多優秀的光電效能，但是其配比偏離固液同成分共熔點，無法採用常規的提拉法生長高質量的晶體，目前主要採用的製備方法有富鋰熔體法、助熔劑法、擴散法。

（3）鈮酸鋰單晶薄膜

鈮酸鋰單晶薄膜可以應用在光波導、聲學器件等微納結構以及製備矽基等混合整合器件等方面，人們很早就開始探索鈮酸鋰單晶薄膜的製備，不過真正得到應用的方法只有“離子切片” (IonSlicing) 技術，目前已經實現了商品化，能夠提供厚度為 300~900 nm的單晶薄膜產品。

圖3 鈮酸鋰單晶薄膜

現階段，鈮酸鋰晶體生產技術成熟，領先企業市場份額佔比較大。在全球市場中，德國愛普科斯、日本住友、德國 KorthKristalle 是市場份額排名前三的鈮酸鋰生產企業。

鈮酸鋰晶體的主要應用

（1）壓電應用

鈮酸鋰晶體居里溫度高，壓電效應的溫度係數小，機電耦合係數高，介電損耗低，晶體物化效能穩定，加工效能良好，又易於製備大尺寸高質量晶體，是一種優良的壓電晶體材料。

與常用的壓電晶體石英相比，鈮酸鋰晶體聲速高，可以製備高頻器件，因此鈮酸鋰晶體可用於諧振器、換能器、延遲線、濾波器等，應用於行動通訊、衛星通訊、數字訊號處理、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)

。

圖4 （a） 2。4 GHz聲表面濾波器（SAW）；（b）小型SAW雙工器

（2）光學應用

除壓電效應外，鈮酸鋰晶體的光電效應非常豐富，其中電光效應、非線性光學效應效能突出，應用也最為廣泛。而且鈮酸鋰晶體可以透過質子交換或鈦擴散製備高品質的光波導，又能夠透過極化翻轉製備週期性極化晶體，所以在電光調製器、相位調製器、整合光開關、電光調Q開關、電光偏轉、高電壓感測器、波前探測、光參量振盪器以及鐵電超晶格等器件中得到廣泛應用。

此外，雙折射楔角片、全息光學器件、紅外熱釋電探測器以及摻鉺波導鐳射器等基於鈮酸鋰晶體的應用也有報道。

圖5 鈮酸鋰電光調製器

（3）介電超晶格

1962年Armstrong等首次提出了準相位匹配 （QPM，Quasi-Phase-Match） 的概念，利用超晶格提供的倒格矢來補償光參量過程中的位相失配。鐵電體的極化方向決定非線性極化率χ2的符號，將鐵電體內製備出週期性極化方向相反的鐵電疇結構就能夠實現準位相匹配技術，包括鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀等晶體都可以製備週期極化晶體，其中鈮酸鋰晶體是製備和應用該技術研究最早、實際應用最為廣泛的材料。

週期極化鈮酸鋰晶體的初期應用主要考慮應用於鐳射頻率變換，2014年Jin等設計了基於可重構鈮酸鋰波導光路的光學超晶格整合光子晶片，首次實現了晶片上糾纏光子高效產生和高速電光調製。

可以說，介電超晶格理論的提出和發展，將鈮酸鋰晶體及其他鐵電晶體應用推向一個新高度，在全固態鐳射器、光學頻率梳、鐳射脈衝壓縮、光束整形以及量子通訊中的糾纏光源等方面具有重要的應用前景。

鈮酸鋰晶體的展望

（1）聲學應用

目前的第五代行動通訊網路（5G）部署包含了 3~5 GHz的 sub-6G 頻段以及 24 GHz以上的毫米波頻段，通訊頻率提高不僅要求晶體材料壓電效能能夠滿足，也要求晶片更薄、叉指電極間距更小，器件的製備工藝受到極大挑戰。

因此，在4G時代及以前所廣泛應用於鈮酸鋰晶體和鉭酸鋰晶體制備的聲表面濾波器，在5G時代面臨著聲體波器件 （BAW） 和薄膜腔聲諧振器件 （FBAR） 的競爭。

鈮酸鋰晶體在更高頻率的濾波器方面研究進展很快，材料和器件製備技術仍然表現出巨大的潛力。隨著鈮酸鋰單晶薄膜材料以及新型聲學器件技術的發展，作為未來5G通訊的核心器件之一，基於鈮酸鋰晶體的前端射頻濾波器具有重要的應用前景。

（2）光通訊應用

光調製器是高速光通訊網路的關鍵器件，未來對鈮酸鋰電光調製器的要求包括更高調製速率以及小型化、整合化。

目前商業應用的鈮酸鋰電光調製器以 40/100 Gbps為主，更高速率的鈮酸鋰調製器已經被開發，例如2017年富士通就釋出了 600 Gbps的鈮酸鋰電光調製器，目前 400 Gbps 及 600 Gbps的產品正在逐步進入市場。

光通訊技術是第五代移動通訊網路建設的重要一環，而鈮酸鋰電光調製器作為其中的核心器件，也會迎來更大的發展。

（3）光子整合晶片

光子已經在高容量通訊、光儲存、資訊傳遞、資訊處理、探測等領域得到了廣泛應用，與電子學從分立元件到積體電路的發展一樣，光子學器件的微小型化、整合化、低功耗、模組化、智慧化和高可靠性等要求越來越高，整合光子學晶片必然會替代分立光學元件。前期整合光子學晶片的發展主要是光通訊需求的牽引，圍繞矽基光子學和磷化銦基整合開展研究。

矽基光子學整合晶片因為龐大的成熟半導體材料和工藝技術體系而發展很快，但矽基鐳射器製備技術一直是其中的短板，目前依賴與磷化銦混合整合；部分磷化銦整合光子晶片已經獲得商業化應用，效能也比矽基光子學整合晶片更加優秀，但缺乏像矽一樣的通用工藝平臺，工藝技術複雜，價格昂貴。

由光通訊需求牽引的鈮酸鋰基整合光子學研究，主要圍繞馬赫-曾德干涉光強調製器、相位調製器以及整合光開關等方面開展。

除光通訊領域對整合光子學的需求外，基於光子學的光量子資訊處理、光計算、生物感測、成像探測、訊號處理、儲存、三維顯示等未來需求更加龐大，與矽或磷化銦等混合整合的方案難以適用。

從單項技術發展來看，幾乎所有的光子學元件都已經基於鈮酸鋰晶體實現，包括：

透過稀土摻雜實現的鎖模鐳射器、調Q鐳射和光放大等；

鈦擴散和質子交換實現的光波導以及整合光開關、光交叉、光耦合以及單光子探測等；

利用電光效應實現的強度、相位和偏振的調製、波前探測和光脈衝選擇等；

利用非線性光學效應實現的光頻率變換、量子糾纏態光子產生；

利用光折變效應實現的光柵、全息儲存、相位共軛器、空間光調製器等；

鈮酸鋰光子晶體、鈮酸鋰光學微腔發展起來的全光邏輯閘、半加器、頻率梳等新型器件；

透過壓電效應、熱釋電效應、光彈效應等實現對力、熱、光等訊號之間的相互轉換與感測。

在目前發展較為成熟的光電材料體系中，基於同一個基質材料發展如此多的基本光學元件、光子學器件和光電器件是罕見的，這也讓人們對鈮酸鋰晶體未來在整合光子學晶片發展中發揮更重要作用充滿了期待。

圖6 鈮酸鋰晶體制備的超表面微納結構（來源：南開大學）

鈮酸鋰晶體集多種光電效能於一體且能夠達到實用化效能要求，在光電材料中非常罕見。隨著鈮酸鋰晶體整合光子學晶片理論、製備及應用等核心技術的發展與完善，鈮酸鋰晶體成為光子時代的“光學矽”材料，為整合光子學的發展提供戰略性基礎支撐。

文章來源：

鈮酸鋰晶體及其應用概述，孫軍，郝永鑫，張玲，許京軍，祝世寧，人工晶體學報，2020，49（6）

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