3 分钟了解铌酸锂晶体（2）
铌酸锂晶体的主要用途
(1) 压电应用
铌酸锂晶体具有高居里温度, 压电效应温度系数小, 高机电耦合系数, 低介电损耗, 晶体物理化学性质稳定, 良好的加工性能, 且易于制备大尺寸优质晶体. 是一种优良的压电晶体材料.
与常用的压电晶体石英比较, 铌酸锂晶体声速高, 可以制备高频器件.
所以, 铌酸锂晶体可用于谐振器, 换能器, 延迟线, 过滤器, 等等, 以及移动通信等民用领域, 卫星通讯, 数字信号处理, 电视, 广播, 雷达, 遥感和遥测, 以及电子对抗措施, 引信, 制导及其他军事领域, 最广泛使用的一种是表面声波滤波器 (SAWF).
2.4 GHz 表面声滤波器 (锯) 在左侧; 右侧的小型 SAW 双工器
(2) 光学应用
除了压电效应, 铌酸锂晶体的光电效应非常丰富, 其中电光效应和非线性光学效应性能突出，也是应用最广泛的.
此外, 铌酸锂晶体可以通过质子交换或钛扩散制备高质量的光波导, 还可以通过极化反转制备周期性极化晶体.
所以, 已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, 光参量振荡器, 和铁电超晶格.
此外, 基于铌酸锂晶体的应用，例如双折射楔块, 全息光学, 红外热释电探测器, 掺铒波导激光器也有报道.
铌酸锂电光调制器
(3) 介电超晶格
在 1962, 阿姆斯特朗等人. 首次提出准相位匹配的概念 (质量管理, 准相位匹配), 它利用超晶格提供的倒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率χ2的符号. 可在铁电体中制备周期性极化方向相反的铁电畴结构，实现准相位匹配技术, 包括铌酸锂和钽酸锂, 磷酸氧钛钾等晶体可制备周期性极化晶体, 他们之中, 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最初应用主要考虑应用于激光变频. 在 2014, 金等人. 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, 并首次在芯片上实现了纠缠光子的高效生成和高速电光调制.
可以说，介电超晶格理论的提出和发展，将铌酸锂等铁电晶体的应用推向了一个新的水平. 在全固态激光器中具有重要的应用前景, 光学频率梳, 激光脉冲压缩, 光束整形, 以及量子通信中的纠缠光源.
铌酸锂晶体的前景
(1) 声学应用
目前的第五代移动通信网络 (5G) 部署包括3~5GHz的sub-6G频段和以上毫米波频段 24 兆赫. 通信频率的提高不仅要求晶体材料的压电性能能够满足, 但也需要更薄的晶圆和更小的叉指电极间距, 器件制造工艺受到极大挑战.
所以, 4G时代及之前, 广泛应用于铌酸锂晶体、钽酸锂晶体的表面声滤波器面临体声波器件的竞争 (体声波) 和薄膜腔声谐振器 (FBAR) 在5G时代. .
铌酸锂晶体在高频滤波器方面取得快速进展, 材料和器件制造技术仍显示出巨大潜力. 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的关键部件. 铌酸锂电光调制器的未来要求包括更高的调制速率, 小型化和集成化.
现在, 目前商业化应用的铌酸锂电光调制器主要有 40/100 千兆比特, 更高速率的铌酸锂调制器已经开发出来. 例如, 作者 2017, 富士通发布了 600 Gbps 铌酸锂电光调制器. 现在, 400 Gbps 和 600 Gbps产品逐步进入市场.
光通信技术是第五代移动通信网络建设的重要组成部分, 以及铌酸锂电光调制器, 作为核心设备, 也将迎来更大的发展.
(3) 光子集成芯片
光子已广泛应用于大容量通信, 光存储, 信息传输, 信息处理, 检测等领域. 就像电子产品从分立元件到集成电路的发展一样, 小型化的要求, 一体化, 低功耗, 模块化, 光电子器件的智能化和高可靠性越来越高. 取代分立光学器件.
集成光子芯片前期发展主要受光通信需求驱动, 围绕硅基光子学和磷化铟基集成开展研究.
硅基光子集成芯片由于庞大成熟的半导体材料和工艺技术体系而得到快速发展, 但硅基激光制备技术一直是一个缺点, 目前依赖于与磷化铟的混合集成; 部分磷化铟集成光子芯片已实现商业化, 其性能优于硅基光子集成芯片, 但他们缺乏像硅那样的通用工艺平台, 且工艺技术复杂、成本昂贵.
铌酸锂基集成光子学研究, 这是由光通信需求驱动的, 主要专注于Mach-Zehnder干涉光调制器, 相位调制器, 和集成光开关.
除了光通信领域对集成光子学的需求, 基于光子学的光量子信息处理的未来需求, 光计算, 生物传感, 成像检测, 信号处理, 贮存, 3数码显示, ETC. 混合集成方案应用难度大.
从单项技术发展来看, 几乎所有光子元件都是基于铌酸锂晶体实现的, 包括:
- 锁模激光器, 稀土掺杂实现调Q激光器和光放大器;
- 通过钛扩散和质子交换实现光波导, 以及集成光开关, 光分频器, 光耦合器, 和单光子探测;
- 强度, 相位和偏振调制, 波前检测和光脉冲选择, 等等, 通过电光效应实现;
- 通过非线性光学效应实现光频率转换和量子纠缠光子产生;
- 光栅, 全息存储, 相位共轭器, 空间光调制器, ETC. 通过光折变效应实现;
- 全光逻辑门等新器件, 半加法器, 由铌酸锂光子晶体和铌酸锂光学微腔开发的频率梳;
- 力的相互转换和感知, 热, 光等信号是通过压电效应实现的, 热释电效应, 和光弹效应.
在目前开发的光电材料体系中, 开发如此多的基础光学元件实属罕见, 基于相同主体材料的光子器件和光电器件. 这也让人们充满期待，铌酸锂晶体未来将在集成光子芯片的发展中发挥更重要的作用.
铌酸锂晶体制备超表面微纳结构 (来源: 南开大学)
铌酸锂晶体集成了多种光电特性，可满足实际性能需求, 这在光电材料中非常罕见. 随着理论等核心技术的发展和完善, 铌酸锂晶体集成光子芯片的制备及应用, 铌酸锂晶体已成为 “光学硅” 光子时代的材料, 为集成光子学的发展提供战略基础.
如果您有任何光学晶体切割相关问题, 请 留言, 收到消息后立即回复.
