“新基础设施”的推出，让5G逐渐走进了我们的生活，云计算、虚拟现实、数据通信、高清视频等领域的发展也随之不断推进，带动核心光网络向超高速、超远距离传输升级。在这个过程中，有一个不可或缺的核心部件——铌酸锂调制器(LiNbO3)。
图1:铌酸锂调制器
据悉，铌酸锂调制器利用铌酸锂晶体的电光效应与光电集成技术相结合，将电子数据转换为光子信息，是实现电光转换的核心部件。要了解它的突出特点，首先要从铌酸锂晶体的电光效应和应用入手。
关于铌酸锂晶体
铌酸锂是铌、锂和氧的化合物，是一种具有高自发极化(室温下0.70 C/m²)的负晶体，是迄今为止发现的居里温度最高(1210℃)的铁电材料。
图2:(a) 3英寸光学级标称纯同同铌酸锂晶体;(b)掺铁铌酸锂晶体
铌酸锂晶体有两个特别值得注意的特性。首先，它们具有丰富多样的电光效应，包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光伏效应、光弹性效应、声光效应等。其次，铌酸锂晶体的性能是高度可调的，这是由于铌酸锂晶体的晶格结构和丰富的缺陷结构。通过晶体组成、元素掺杂、价态控制等方法，可以显著调节铌酸锂晶体的许多性能。
此外，铌酸锂晶体具有稳定的物理和化学性质，易于加工，透光范围广，双折射大，易于制备高质量的光波导。因此，基于铌酸锂晶体的光调制器在远距离通信中具有无可比拟的优势——不仅啁啾效应非常小，调制带宽高，消光比好，而且稳定性极佳，在高速器件中表现最佳。因此，它们被广泛应用于高速、高带宽、远距离通信中。
哈佛大学曾经对铌酸锂做过这样的评价:如果电子革命的中心以硅材料命名，那么光子学革命的发源地很可能以铌酸锂命名。
铌酸锂晶体的制备
(1)全等铌酸锂晶体
对于全等铌酸锂晶体，主要的制备方法是直拉法。虽然Bridgman法、无坩埚法、温度梯度法等方法也被用于制备铌酸锂晶体，但与Czochralski法相比，它们没有明显的优势或明确的应用要求，因此没有受到广泛的关注。
(2)近化学计量铌酸锂晶体
虽然近化学计量铌酸锂晶体具有许多优异的电光性能，但它们的比值偏离了液固一致的熔点，使用传统的Czochralski方法无法生长出高质量的晶体。目前使用的主要制备方法有富锂熔体法、助熔剂法和扩散法。
(3)铌酸锂单晶薄膜
铌酸锂单晶薄膜可用于光波导和声学器件等微纳结构，也可用于制备硅基器件等混合集成器件。长期以来，人们一直在探索铌酸锂单晶薄膜的制备，但唯一真正应用的方法是“IonSlicing”技术，该技术目前已经商业化，可以提供厚度为300 ~ 900nm的单晶薄膜产品。
图3:铌酸锂单晶薄膜
铌酸锂晶体的主要应用
(1)压电应用
铌酸锂晶体具有居里温度高、压电效应温度系数小、机电耦合系数高、介电损耗低、物理化学性质稳定、加工性能好、易于制备大尺寸高质量晶体等特点。它们是一种优良的压电晶体材料。
与常用的压电晶体石英相比，铌酸锂晶体声速高，可制备高频器件。因此，铌酸锂晶体可用于谐振器、换能器、延迟线、滤波器等，应用于移动通信、卫星通信、数字信号处理、电视、广播、雷达、遥感遥测等民用领域，以及电子对抗、引信、制导等军事领域，其中应用最广泛的是表面声波滤波装置(SAWF)。
图4:(a) 2.4 GHz表面声波滤波器(SAW);(b)微型SAW双工器
(2)光学应用
铌酸锂晶体除具有压电效应外，还具有丰富多样的电光效应，其中电光效应和非线性光学效应尤为突出，应用广泛。此外，铌酸锂晶体可以通过质子交换或钛扩散制备成高质量的光波导，通过极化反转制备周期极化晶体，因此广泛应用于电光调制器、相位调制器、集成光开关、电光q开关、电光偏转、高压传感器、波前检测、光学参量振荡器、铁电超晶格等领域。
此外，基于铌酸锂晶体的应用，如双折射楔形板、全息光学器件、红外热释电探测器和掺铒波导激光器也有报道。
图5:铌酸锂电光调制器
(3)介电超晶格
1962年，Armstrong等人首先提出了准相位匹配(quasi-phase-matching, QPM)的概念，利用超晶格提供的倒易晶格矢量来补偿光学参量过程中的相位失配。铁电体的极化方向决定了非线性极化的符号χ2，可以在铁电体中制备具有相反极化方向的周期性极化畴结构，实现准相位匹配技术。铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛酸钾等晶体均可制备成周期性极化晶体，其中铌酸锂晶体是该技术制备和应用最早、应用最广泛的材料。
周期性极化铌酸锂晶体的初期应用主要考虑激光变频。2014年，Jin等人设计了一种基于可重构铌酸锂波导光路的光学超晶格集成光子芯片，首次在该芯片上实现了高效产生纠缠光子和高速电光调制。
可以说，介质超晶格理论的提出和发展，将铌酸锂晶体等铁电晶体的应用推向了一个新的高度，在全固态激光器、光频梳、激光脉冲压缩、光束整形、量子通信中的纠缠光源等方面具有重要的应用前景。
铌酸锂晶体的展望
(1)声学应用
目前的第五代移动通信网络(5G)部署包括3-5 GHz的6g以下频段和24 GHz以上的毫米波频段。通信频率的提高不仅要求晶体材料的压电性能能够满足要求，而且要求更薄的晶体片和更小的数字间电极间距，这对器件的制造工艺提出了很大的挑战。
因此，在4G时代之前广泛应用于铌酸锂和钽酸锂晶体的表面声波滤波器在5G时代面临着体声波器件(BAW)和薄膜体声波谐振器器件(FBAR)的竞争。
用于高频滤波器的铌酸锂晶体研究进展迅速，材料和器件制造技术仍显示出巨大的潜力。随着铌酸锂单晶薄膜材料和新型声学器件技术的发展，作为未来5G通信的核心器件之一，基于铌酸锂晶体的前端射频滤波器具有重要的应用前景。
(2)光通信应用
光调制器是高速光通信网络中的关键器件。未来对铌酸锂电光调制器的要求包括更高的调制速率以及小型化和集成化。
目前，铌酸锂电光调制器的商业应用主要是40/100 Gbps。
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