撰稿：北京大学 庄敏学 陈玉君
电磁波在现代生活中无处不在。作为信息的载体，电磁波传递着从广播电台、电视、移动通信到现代宽带互联网中的各种信息；在基础科学中，电磁波能探测从原子到宇宙尺度的物体。如今，不同频率范围的相干电磁波都有着对应的产生方式。例如，无线电和微波频段可以简单地由电子振荡器产生，共振隧道二极管能产生毫米和太赫兹波，而激光器能生成相干光。
然而，这些电磁波源依赖于特定材料的能量状态，只能覆盖相当有限的频率。为了克服这一限制，基于非线性效应的频率混合的方法营运而生，成为产生宽谱电磁波的重要技术。在光学领域，有大量的材料适合产生频率混合效应。铌酸锂（LiNbO₃，或LN）就是其中之一，且具有独特的优势，在高速通信、可扩展的量子计算、人工神经网络、紧凑型光学时钟等领域具有广泛的应用前景。
近日，澳大利亚阿德莱德大学教授Andreas Boes、北京大学研究员常林（课题组：https://photonics.pku.edu.cn/），与美国斯坦福大学研究员Carsten Langrock，美国南加利福尼亚大学助理教授喻梦捷，Hybperlight公司CEO张勉，美国罗切斯特大学大学教授林强，美国哈佛大学教授Marko Loncar, 美国斯坦福大学教授Martin Feter, 美国加州大学圣芭芭拉教授John Bowers, 澳大利亚皇家墨尔本理工大学教授Arnan Mitchell一起，在Science上发表题为“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”的综述文章，系统回顾了铌酸锂光子学的历史、产生和控制的电磁波频率的方式及应用，并给出了该领域发展的展望。
(v)有大型、低成本、光学质量晶圆的商业供应。
这使LN尤其适合生成和控制各种频段的电磁波，并推动下一代突破性的科学演示和商业产品的发展。
图1：铌酸锂所为光子材料的发展时间线
几十年来，共出现了三种LN光子平台，分别为块状晶体、弱约束波导和紧密约束波导。
块状LN晶体通常是毫米到厘米级的LN块经抛光后得到，被用于电光调制、二次谐波生成、回音廊谐振器等场景，且可以经电场极化实现相位速度匹配；
弱约束LN波导的非线性转换效率相比块状晶体提高了两到三个数量级，能在中等光功率下有效地产生电磁波，其制造方法包括钛扩散、质子交换和飞秒激光写入，被用于高效的二次谐波生成、长距离通信系统、量子光学等场景；
紧密约束LN波导是较新的LN薄膜结构，其模式体积更小，达到亚波长范围，具有高约束性和高非线性，适合制造和集成倍频器、电光调制器、光频梳等元件，可用于要求大规模生产、低成本、低功耗的应用场景。
图2：产生和控制电磁波的LN材料特性
LN的各种材料特性使之有利于产生和控制宽谱电磁波。
二阶和三阶非线性效应分别适合二次谐波生成（SHG）、和频生成（SFG）和差频（DFG）生成过程和四波混频过程的发生；
线性电光效应（波克尔斯效应）意味着LN的折射率变化与施加的电场成正比，可被用于光的相位调制；
光弹性效应，即LN折射率是应变的函数，适合进行电磁波的调制和移频。
图3：设计LN器件的常用工程概念
色散工程，以材料厚度和波导尺寸作为自由度来设计模式色散，色散主要取决于随着波长的变化波导芯层和包层的场分布变化；
图4：LN光谱覆盖范围
LN的材料特性和工程应用性相结合，提供了在从紫外线到微波的近五个数量级范围内产生不同频率电磁波的方法。
在可见和紫外光频段，材料损耗非常低，产生方法是利用非线性效应，应用场景有视觉应用和原子跃迁探测；
在近红外频段，由于低传输损耗有广泛的应用，例如光通信、微波光子学、量子光学和光探测等，产生近红外频率电磁波的方法也很多样，例如拉曼激光、DFG、基于克尔效应的超连续谱产生、电光梳等；
在中红外频段，可以用于空气质量监测等场景，这一频段的光可以通过超连续谱产生和克尔效应得到；
太赫兹频段可以穿透纸张、塑料和织物，因此被用于传感和安全成像，窄带、高强度的太赫兹电磁波可以通过LN晶体中的光学整流生成；
微波频段被用于5G和6G通信、雷达和射电天文学等领域，这一频段可以利用LN的声光、电光效应，将微波频率转换到光载波上。
图5：铌酸锂光子学应用展望
文章最后对LN上光子学的发展进行了展望。
LN波导平台将在复杂性和光谱宽度两个方面加速发展，从毫米级的单个元件过渡到微米级的集成芯片，从主要在近红外频率下工作过渡到根据需要产生和控制可见光到微波频率的各种电磁波。
在近期（未来5年），由于成熟的制造和封装工艺，块状晶体和弱约束波导仍将是产生和控制电磁波的主要平台，特别是在近红外和可见光频率区域，在大规模的应用领域，光学短距离数据通信将有助于推动薄膜LN技术的进步并使其走向商业化；
在中期（未来5到10年），LN薄膜波导集成芯片面临的主要挑战是制造过程中的可重复性，这一问题的解决将推动光子和电子电路的共同封装，并在微波光子学、激光雷达和人工智能等领域得到应用，工作在从微波到可见光范围的更复杂的光学系统也将同时发展；
从长远来看（10年及以后），基于大规模加工工艺、多种材料异质集成和电子电路联合封装，薄膜LN平台将实现大规模的光学网络，从根本上颠覆众多应用，如全集成激光雷达和光神经网络，全集成的光量子芯片等。
Boes et al., Science 379, 40 (2023)
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