南開Adv. Mater. 鈮酸鋰的最新進展：光學損傷，缺陷模擬和片上器件

【引言】

鈮酸鋰（LN）是最重要的合成晶體之一。在過去的二十年中，在材料技術，理論理解和LN晶體應用方面取得了許多突破。作者們報道了最近很多關于LN的光學損傷、缺陷模擬和片上器件的研究的最新進展。光學損傷是LN晶體實際使用的主要障礙之一。最近的結果表明，摻雜ZrO₂不僅可以使LN在可見光中產生更好的光學損傷抗性，而且還可以改善其紫外區域的電阻。直接從實驗研究中提取缺陷特征及其與LN晶體物理性質的關系仍然很不方便。最近的理論模擬研究提供了內在缺陷模型的詳細描述，摻雜劑的位置占據以及由于外在缺陷引起的能級變化。 LN被認為是最有前景的集成光子學平臺之一。受益于智能切割，直接晶圓鍵合和層轉移技術的進步，在過去十年中，絕緣體上的LN已經取得了很大進展。作者們報道了最近片上LN微光子器件和非線性光學效應，特別是光折變效應的最新研究進展。

【成果簡介】

近日，南開大學的孔勇發（第一作者和通訊作者）教授和徐京軍教授（通訊作者）在國際頂級期刊Adv. Mater.上發表了綜述文章：Recent Progress in Lithium Niobate: Optical Damage, Defect Simulation, and On-Chip Devices。受益于智能切割，直接晶圓鍵合和層轉移技術應用于LN，并且由于絕緣體上的鈮酸鋰（LNOI）晶片的商業可用性(類似于絕緣體上硅, 其在LN 薄膜中提供光限制），因此在芯片上制造允許密集集成的光子器件在過去十年中取得了很大進步。 一些研究人員甚至聲稱，LN可能成為光子芯片中的硅。 本文中，作者們將回顧有關強光束LN光子器件的最新進展，包括波導，電光調制器，波長轉換器和耦合器。

【圖文導讀】

圖一. 通過LN晶體后透射的UV光（波長351nm，強度1.6×105 W cm^-2）的光束畸變。

a) CLN和b-d）LN：Zr分別摻雜0、2.0和5.0 mol％ZrO₂。 e）UV：Zr的UVPR衍射效率和飽和折射率變化作為ZrO₂摻雜濃度的函數。 為了比較，空心符號顯示摻雜有5.0 mol％MgO的LN：Mg晶體的數據。

圖二. 連續激光照射5分鐘后入射和透射的激光束斑點。

a）入射光束點。 b-d）1.0mol％Bi ₂ O ₃和b）3.0 mol％，c）5.0 mol％和d）6.0 mol％MgO共摻雜LN（LN：Bi，Mg _3.0，LN：Bi，Mg _5.0和LN：Bi，Mg_6.0，而（a），（c）和（d）的光強度為5.8×106 W cm^-2，（b）為7.8×102 W cm^-2。 e）LN的衍射效率（左）和折射率變化（右）和f）光折變響應時間（左）和靈敏度（右）：Bi，Mg晶體作為MgO濃度的函數。 為了比較，還繪制了1.0 mol％Bi ₂ O ₃單態LN（LN：Bi）晶體的數據。

?圖三. 文獻中提到的Li空位模型的三個配置。

a）Kim的模型：缺陷簇4-5-6-8（紅色）與體極化方向平行; 簇1-2-3-7（黑色）與體極化方向反平行。 b）Xu等提出的模型，代表第一個近鄰（FNN）中鋰空位的六個可能位置。 c）Li等人提出的模型：標記為1-3的原子是Nb反位的第二近鄰。 偶極矩從帶負電的缺陷中心（鋰空位）引導到帶正電的缺陷中心（鈮反位）。 d）Wang等人的缺陷結構：原子1和2是最近鄰，而原子3和4是Nb反位的第二近鄰。 由缺陷簇形成的電偶極矩垂直于晶體的自發極化方向。

?圖四. 在Li-缺陷條件下，Mg摻入Li和Nb位置的能量以及LiNbO₃中的主要本征點缺陷Nb_Li ⁴⁺和V_Li ^- 作為Fermi能量的函數。

僅指示每個缺陷的最穩定的電荷狀態。 費米能量范圍對應于LiNbO₃的基本帶隙。

?圖五. 缺陷形成能。

a）Fe²⁺和b）Fe³⁺相對于Nb₂O₅參考態的每個缺陷的缺陷形成能。 a，b）c）由Fe^2+/3+占據Li或Nb位置形成的缺陷簇的形成能和相對于Nb₂O₅的鋰空位。

圖六. ?Fe_Li²⁺ 、Fe_Li ³⁺ 和Hf_Li ³⁺的能帶結構。

圖七. LNOI上的典型波導。

a）線波導和鏡像諧振器。 b）在LNOI頂部具有SiN波導的混合脊形波導。 c）通過質子交換制造的弱波導。

圖八. 微盤諧振器。

a-d）通過使用飛秒激光燒蝕，化學機械拋光和濕法蝕刻制造質量因子為1.6×107的LN微盤諧振器。 e，f）高Q LN微盤諧振器的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖九. 集成LN電光調制器，兼容CMOS驅動電壓。

a）集成LN調制器的數據傳輸設置示意圖。 b）傳統LN調制器的數據傳輸設置。 c）作為20mm器件的電壓函數的歸一化光傳輸，顯示1.4V的半波電壓.d）制造的LN電光調制器的顯微鏡圖像。

圖十. 設備示意圖和電光頻梳的頻譜。a）設備的示意圖。 b）電光頻率梳的頻譜。?

【小結】

LN：Mg被認為是具有最佳抗光損傷性的材料，但最近的結果表明LN：Zr不僅在可見光區域具有更高的光學損傷抗性，而且在UV中也具有更高的光學損傷抗性。由于Zr還具有接近1.0的有效分布系數和接近2.0mol％的低摻雜閾值，因此LN：Zr似乎是目前最佳的抗光損傷LN材料。已知LN：Zr晶體具有低得多的光折射率和更高的光電導率，但機理仍不清楚。模擬計算可以為我們提供更好的理解。 LN：Bi，Mg表現出高的光學損傷抗性和良好的光折變特性。這表明光學損傷與光折射不完全相同。 LN的光折變機制：Bi，Mg表明通過擴散的電荷傳輸對LN晶體的光學損傷幾乎沒有影響。因此，光伏效應是LN中光學損傷的主要來源。該結論清楚地向我們展示了通過控制其光伏效應來減少LN的光學損傷是有效的方法。 LN的模擬計算不僅給出了本征缺陷類型，而且還給出了缺陷簇的缺陷配置，不僅是不同條件下雜質的位置占用，而且還有費米能量的變化。最近，在計算摻雜多價離子的LN方面也取得了很大進展。

由于超級電池的限制，分析共摻LN晶體的位置選擇性和性能優先級以及摻雜濃度的缺陷結構變化是一項艱巨的工作。雖然有些結果仍然不如我們所希望的那樣準確，但隨著理論方法的發展，可以預期模擬計算將提供有關LN晶體和器件設計的更多信息。在過去十年中，集成LN器件的制造，主動調諧和非線性光學效應取得了重大進展，特別是在LNOI芯片上。通過半導體兼容制造技術成功地實現了具有≈1μm²橫截面積和0.03dB cm^-1損耗的波導以及質量因子為一千萬的微環諧振器。

傳統的光學拋光技術不僅用于降低表面粗糙度并因此改善LN裝置的質量，而且還用于在LNOI芯片上制造LN裝置。在低驅動電壓下允許在100GHz下快速調制的電光調制器被證明具有非線性光學效應，具有高效率和低泵浦功率。還一些研究表明在當前光通信系統中使用的LN器件和單模光纖之間的耦合。一側的耦合損耗降低到某個dB m^-1。

然而，為了在LN芯片上構建光子處理系統，仍然存在許多技術難題，需要不計成本的解決： 1）迫切需要解決LN芯片和光纖之間有效耦合的問題； 2）集成在一個芯片上的光源和檢測器對于介電材料相對于半導體材料的光子集成始終是一個嚴重的問題。將諸如GaAs和InP的有源半導體組合到LN芯片的混合結構是最實用的解決方案。使用摻有發光活性離子的LN薄膜可以是另一種方法； 3）偏振器，偏振復用器和波分復用器等光學器件仍在研究中。需要通過考慮相對于LN的晶體結構的方向的光偏振來優化這種器件的性能，這與在各向同性材料中傳播的光的情況不同。

總的來說，雖然在LN上構建整體電子光電系統存在技術問題需要解決，但LNOI已經顯示出實現商業化的巨大潛力，因為我們不會面臨無法克服的限制。

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

本文由材料人編輯部電子材料學術組踏浪供稿，材料牛編輯整理。