北京大学，重磅Science!

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等多种应用领域。这些商业应用为建立一个成熟的高质量LN晶体和晶圆的制造和加工业提供了经济手段。由于LN能够产生和操纵从微波到紫外线频率的广谱电磁波，商业产品已经取得了突破性的进展。

在此，澳大利亚皇家墨尔本理工大学Andreas Boes教授和北京大学常林研究员等人在展望LN的未来前景之前，作者对LN作为一种光学材料的历史、其不同的光子平台、工程概念、光谱覆盖和必要的应用进行了高水平的回顾。相关论文以“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”为题发表在Science。

众所周知，电磁（EM）波以深远的方式影响着现代社会，其广泛用于信息传输，广播电视、移动电信以及通过Wi-Fi实现数据访问。在基础物理学中，电磁波是探测从宇宙尺度到原子尺度的物体的宝贵工具。例如，激光干涉仪引力波天文台和原子钟是世界上最精确的人造仪器之一，依靠电磁波达到前所未有的精度。

近数十年来，主要集中在宽频谱范围内开发相干电磁源，并取得了令人印象深刻的结果：电子振荡器可以很容易地产生数十千兆赫兹（无线电和微波系统）范围内的频率。谐振隧道二极管能够产生毫米（mm）和太赫兹（THz）波，其范围从数十千兆赫兹到几太赫兹。在更高的频率下，通常定义为光学频率，固态和气体激光器可以产生相干波。然而，这些方法通常受到窄光谱带宽的影响，它们通常依赖于特定材料的能态，从而导致光谱覆盖范围相当有限。

为了克服这一限制，之前的研究已经开发了非线性混频策略。这些方法将复杂性从电磁源转移到基于非共振的材料效果。特别是在光学状态下，存在大量支持适合混频效果的材料。在过去的二十年中，控制这些材料形成导向结构（波导）的想法提高了效率，小型化以及生产规模和成本，并已广泛用于各种应用。

图1. 铌酸锂的光谱覆盖范围

铌酸锂是一种于1949年首次生长的晶体，由于其有利的材料特性，是一种特别有吸引力的光子材料，用于频率混合。几十年来，块状铌酸锂晶体和弱约束波导一直用于访问电磁频谱的不同部分，从千兆赫兹到太赫兹频率。

现在，由于薄膜铌酸锂（TFLN）的商业可用性，这种材料重新引起了人们的兴趣。这种集成的光子材料平台可实现严格的模式限制，从而使混频效率提高几个数量级，同时通过使用色散工程等方法为光学特性工程提供额外的自由度。重要的是，TFLN的大折射率对比度首次实现了基于铌酸锂的光子集成电路。

铌酸锂光子学在电磁波生成中的宽光谱覆盖范围、超低功耗要求和灵活性，为探索新的器件功能提供了大型工具集。此外，在代工厂采用铌酸锂集成光子学是一种有前途的方法，可以使用晶圆级生产使基本台式光学系统小型化。活性材料与铌酸锂的异质集成有可能创建具有丰富功能的集成光子电路。

因此，受益于这些进步，高速通信、可扩展量子计算、人工智能和神经形态计算以及用于卫星和精密传感会为商业探索提供大量机会。此外，铌酸锂中的块状晶体和弱约束波导有望在不久的将来继续发挥关键作用，它们在高功率和损耗敏感的量子光学应用中具有优势。因此，铌酸锂光子学在解锁EM光谱和重塑未来社会信息技术方面具有巨大的希望。

图2. LN作为光子材料的时间线

图3. 用于产生和控制电磁波的LN材料特性

图4. LN技术中使用的工程概念，且在宽光谱范围有效耦合

图5. LN光谱覆盖

Andreas Boes*†, Lin Chang*†, Carsten Langrock‡, Mengjie Yu, Mian Zhang, Qiang Lin, Marko Loncˇar, Martin Fejer, John Bowers Arnan Mitche, Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4396

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