孫 軍，郝永鑫，張 玲，許京軍，祝世寧

(1.南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071；2.南開大學(xué)，弱光非線性光子學(xué)教育部重點實驗室，天津 300457；3.山西大學(xué),極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，太原 030006;4.南京大學(xué),固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室，南京 210093)

0 引 言

鈮酸鋰晶體自發(fā)極化大(室溫時0.70 C/m2),是目前發(fā)現(xiàn)的居里溫度最高(1 210 ℃)的鐵電體[1-3]。鈮酸鋰晶體有兩個特點尤其引人關(guān)注，一是鈮酸鋰晶體光電效應(yīng)多，具有包括壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、光折變效應(yīng)、光生伏打效應(yīng)、光彈效應(yīng)、聲光效應(yīng)等多種光電性能；二是鈮酸鋰晶體的性能可調(diào)控性強，這是由鈮酸鋰晶體的晶格結(jié)構(gòu)和豐富的缺陷結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，鈮酸鋰晶體的諸多性能可以通過晶體組分、元素摻雜、價態(tài)控制等進行大幅度調(diào)控。此外，鈮酸鋰晶體原料豐富，能夠制備高質(zhì)量的大尺寸單晶，晶體的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，易于加工，光透過范圍寬(0.3～5 μm)[4]，具有較大的雙折射(約0.08@633 nm)[4]，而且容易制備高質(zhì)量的光波導(dǎo)，所以基于鈮酸鋰晶體的聲表面波濾波器、光調(diào)制器、相位調(diào)制器、光隔離器、電光調(diào)Q開關(guān)等光電器件在電子技術(shù)、光通信技術(shù)、激光技術(shù)等領(lǐng)域中得到了廣泛研究和實際應(yīng)用。近期，隨著第五代無線通信(5G)、微納光子學(xué)、集成光子學(xué)以及量子光學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域的突破性進展，鈮酸鋰晶體再次引起了廣泛的關(guān)注，2017年哈佛大學(xué)Burrows[5]甚至提出現(xiàn)在正在進入“鈮酸鋰谷”時代。

本文介紹了鈮酸鋰晶體的基本情況、性能調(diào)控、材料制備及應(yīng)用等，并結(jié)合應(yīng)用熱點進行了簡要分析。

1 鈮酸鋰晶體基本性質(zhì)

1.1 鈮酸鋰晶體概述

在自然界中未發(fā)現(xiàn)以天然礦物形式存在的LiNbO3，1928年Zachariasen[6]首先報道了鈮酸鋰晶體的晶體結(jié)構(gòu)。1955年Lapitskii和Simanov[7]利用X射線粉末衍射分析給出了鈮酸鋰晶體六方晶系和三方晶系的晶格參數(shù)。1958年Reisman和Holtzberg[8-9]通過熱分析、X射線衍射分析和密度測量給出了Li2O-Nb2O5的贗二元系相圖，隨后Lerner等[10]通過對晶格常數(shù)的精確測量和熱分析，提出存在LiNbO3固溶區(qū)域，并給出了Li2O-Nb2O5的贗二元系在LiNbO3相附近的詳細相圖，此后Scott和Burns、Svaasand、Holman等又陸續(xù)對數(shù)據(jù)進行了完善[11-13]。

圖1和圖2分別為Li2O-Nb2O5的贗二元系相圖和LiNbO3的單相區(qū)，從相圖中看Li2O-Nb2O5可以形成Li3NbO4、LiNbO3、LiNb3O8和Li2Nb28O71四種化合物[8]，由于晶體制備和材料性能的原因，只有LiNbO3相得到了廣泛的研究和應(yīng)用。按照化學(xué)命名一般規(guī)則,鈮酸鋰或正鈮酸鋰應(yīng)為Li3NbO4相，而LiNbO3應(yīng)稱為偏鈮酸鋰(Lithium Mateniobate)，早期也確實被稱為偏鈮酸鋰晶體[14]，但是由于其它三種固相晶體并未得到廣泛研究，現(xiàn)在LiNbO3幾乎不再被稱為偏鈮酸鋰，而被廣泛稱為鈮酸鋰。

鈮酸鋰晶體的固液同成分共熔點與鈮酸鋰的化學(xué)計量配比并不一致，只有采用固液同成分共熔點的原料，才可以方便地利用熔體結(jié)晶方法生長出頭尾組分一致的高質(zhì)量單晶，因此固液同成分共熔點配比晶體得到了廣泛應(yīng)用，通常簡稱為“同成分鈮酸鋰晶體”，而且通常未加說明的鈮酸鋰晶體均指同成分鈮酸鋰晶體，其鋰含量[Li]/[Li+Nb]約為48.6%。同成分鈮酸鋰晶體中缺少大量的鋰離子，由此產(chǎn)生的大量晶格缺陷帶來了兩個重要影響，一是影響了鈮酸鋰晶體的性能，二是晶格缺陷為鈮酸鋰晶體的摻雜工程提供了重要基礎(chǔ)，可以通過對晶體組分調(diào)控、摻雜以及摻雜元素的價態(tài)控制等對晶體的性能進行有效調(diào)控，這也是鈮酸鋰晶體引人關(guān)注的重要原因之一。

與“同成分鈮酸鋰晶體”相對應(yīng)的是“近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體”，其晶體組分與LiNbO3化學(xué)配比接近， [Li]/[Nb]約為1，晶體的許多光電性能比同成分鈮酸鋰晶體更加突出，而且基于近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的摻雜，對許多光電性能的調(diào)控效果更加靈敏，因此得到了廣泛的研究。但是該晶體并非固液同成分共熔，難以通過常規(guī)熔體提拉法制備高質(zhì)量晶體，制備達到實用化的高質(zhì)量和高性價比的晶體比較困難。

1.2 晶體晶格結(jié)構(gòu)

鈮酸鋰晶體的結(jié)構(gòu)可以理解為一系列氧八面體以共三角氧平面的形式堆垛，公共面與氧八面體的三重對稱軸垂直，然后不同的堆垛再以八面體共棱的形式連接。順電相鈮酸鋰晶體中的鈮離子處于氧八面體中心，然后連接兩個中間無鈮離子氧八面體，這兩個氧八面體的公共三角氧平面中間是鋰離子。

在居里溫度以下晶體處于鐵電相時，鋰離子沿著三重對稱軸方向發(fā)生位移，偏移到氧八面體內(nèi)部靠近公共氧平面的位置，從而形成沿著三重對稱軸方向的自發(fā)極化，這樣鈮酸鋰晶體的堆垛結(jié)構(gòu),也可以看做氧八面體共面連接，然后沿+c方向以“…-Li-Nb-□-Li-Nb-□-…”的順序填充陽離子，其中“□”表示空位。

1.3 缺陷結(jié)構(gòu)

如前所述，通常所生長的鈮酸鋰晶體偏離化學(xué)計量比配比，晶格中缺少鋰，從而在晶體中產(chǎn)生了大量的缺陷結(jié)構(gòu)，這些缺陷結(jié)構(gòu)對晶體性能產(chǎn)生了巨大影響，同時也是鈮酸鋰晶體性能可調(diào)控性極強的主要原因。對鈮酸鋰晶體缺陷結(jié)構(gòu)的研究是對晶體性能進行調(diào)控的基礎(chǔ)，因此人們很早就對非化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體晶格缺陷結(jié)構(gòu)開展研究，研究提出的晶格缺陷模型主要可以分為氧空位模型、鈮空位模型、鈦鐵礦模型和鋰空位模型。

氧空位模型由Fay等[18]在1968年提出，該模型認為晶體中形成鋰空位和氧空位，可以表示為Li1-δ(VLi)δNbO3-δ/2(VO)δ/2，后來Lerner等[10]發(fā)現(xiàn)缺鋰導(dǎo)致晶體密度增加，這與氧空位模型不符，因此目前該模型基本上不再被采用。

1972年P(guān)eterson等[19]根據(jù)93Nb的核磁共振實驗結(jié)果提出缺鋰的晶格空位被鈮占據(jù)，必要時產(chǎn)生鈮空位進行電荷平衡補償，稱為鈮空位模型。1986年Abrahams等[20]研究了近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體和同成分鈮酸鋰晶體的晶格常數(shù)，認為鈮空位模型可以解釋他們的實驗結(jié)果。但是Smyth[21]在1983年的報道中提出，他們的實驗結(jié)果不支持鈮空位模型，并提出了局部鋰離子與鈮離子互換占位導(dǎo)致晶體內(nèi)局部存在鈦鐵礦結(jié)構(gòu)，即部分陽離子在氧八面體中的排列順序從“…-Li-Nb-□-Li-Nb-□-Li-Nb-□-…”變?yōu)椤啊?Li-Nb-□-Nb-Li-□-Li-Nb-□-…”，陽離子和空位的排列順序，補償了鋰空位導(dǎo)致的電荷不平衡。

1968年Lerner等[10]根據(jù)不同組分鈮酸鋰晶體密度和晶胞參數(shù)的不同，提出了鋰空位模型，該模型認為部分鈮占據(jù)鋰位以滿足電荷平衡，表示為Li1-xNb1+ε□x-εO3，其中□代表鋰空位。1992年Iyi等[22]測量了鋰含量[Li]/[Li+Nb]分別為47.0%、47.5%、48.5%和49.8%鈮酸鋰晶體的晶格參數(shù)、密度等以及晶體粉末的中子衍射數(shù)據(jù)，進一步支持了Lerner的鋰空位模型，認為同成分鈮酸鋰晶體的缺陷結(jié)構(gòu)式可以表示為[Li1-5xNbx□4x][Nb]O3。鋰空位模型也是得到比較廣泛認可的缺陷結(jié)構(gòu)模型。

2000年Kong等[23]在非化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體中發(fā)現(xiàn)了738 cm-1拉曼譜線，從實驗上證實了鈦鐵礦缺陷結(jié)構(gòu)的存在；同時Kong等還提出，反位鈮NbLi在氧八面體堆垛中的排列表示為“…-Li-Nb-□-NbLi-Nb-□-…”，而正常位鈮Nb和反位鈮NbLi只是人為標記不同，同樣可以表示為“…-Li-Nb-□-Nb-NbLi-□-…”，即局部的鈦鐵礦結(jié)構(gòu)，這樣鋰空位模型與鈦鐵礦模型就得到了統(tǒng)一的解釋。

1.4 晶體定向

鈮酸鋰晶體屬于三方晶系，可以采用六角晶系的H定向或三方晶系的R定向。1966年Nassau等[24]給出了鈮酸鋰晶體六方晶系表示的(0006)面標準極圖，但是該極圖對晶面的指數(shù)表示不符合國際上三方晶系轉(zhuǎn)換的六方晶系定向通常采用的標準取向法，而且忽略了衍射不消光的條件，因此以該極圖討論問題時常引起混亂或錯誤。

李德宇等[26]在Nassau等工作的基礎(chǔ)上，給出鈮酸鋰晶體的三方晶系轉(zhuǎn)六方晶系標準取向標定的(0001)面極射赤面投影圖(如圖4)。圖中x、y、z表示直角坐標系中的三個晶面，Λ指示了晶體生長脊的位置，m指示了晶體的對稱面位置。

2 鈮酸鋰晶體的性能調(diào)控

2.1 鈮酸鋰晶體的摻雜

鈮酸鋰晶體中氧八面體的間隙較大，且非化學(xué)計量比晶體中存在大量的空位，缺陷化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，可以容許大部分陽離子進入晶格，因此鈮酸鋰晶體可以通過多種元素、多種價態(tài)的單摻雜或共摻雜進行晶體晶格缺陷的調(diào)控，進而達到性能調(diào)控的目的。按照摻雜元素的不同，通常將鈮酸鋰晶體摻雜分為以下幾類：

(1)光折變摻雜

光折變效應(yīng)是Ashkin等[27]在1966年利用鈮酸鋰晶體和鉭酸鋰晶體進行激光倍頻實驗時發(fā)現(xiàn)的，強度不均勻的光輻照引起晶體折射率的改變，在相當長一段時間內(nèi)被稱為光損傷(Optical Damage)。1980年Chen 等[28]提出利用這種光損傷進行全息存儲等應(yīng)用，稱為光折變效應(yīng)(Photorefractive)，其過程是在光的激發(fā)下電子或空穴載流子進行遷移，然后在暗區(qū)被受主俘獲，從而在晶體內(nèi)部形成內(nèi)電場對折射率的調(diào)制。雖然光折變效應(yīng)在名義純鈮酸鋰晶體中發(fā)現(xiàn)，但其光折變性能并不理想，摻雜可以調(diào)控晶體中的載流子和缺陷結(jié)構(gòu)，進而調(diào)控晶體的光折變性能，包括光折變靈敏度、響應(yīng)時間、衍射效率等。通常的光折變摻雜元素包括鐵、銅、錳、鈰、鈦、鋱等過渡元素或變價元素，以提供光折變中心。其中，摻鐵的研究較多[29-31]，調(diào)控效果也最顯著，衍射效率和靈敏度大幅提高，響應(yīng)時間也大大縮短。

除摻雜單一元素外，可以通過雙摻或多摻等多種元素的共摻雜，對晶體的光折變性能進行綜合調(diào)控。1999年Buse等[32]用鐵錳雙摻的鈮酸鋰晶體實現(xiàn)了非揮發(fā)性全息存儲。Zhang等[33-34]通過光折變摻雜元素鐵和抗光折變摻雜元素鎂共摻，將光折變響應(yīng)速度提高了1個量級，抗光散射能力提高了2個量級。Zheng等[35]通過鉍鎂雙摻同時實現(xiàn)了鈮酸鋰晶體抗光損傷能力和光折變能力的增強。Kong等[36]報道了采用鋯、鐵、錳的多摻鈮酸鋰晶體。但是隨著摻雜元素的增加，晶體的缺陷結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，從理論上說明或指導(dǎo)光折變性能的調(diào)控變得更加困難。

2000年Xu等[37]發(fā)現(xiàn)在可見光波段高抗光折變的高摻鎂鈮酸鋰晶體，在紫外波段具有優(yōu)異的光折變性能，該發(fā)現(xiàn)突破了鈮酸鋰晶體高摻鎂后抗光折變的認識，也填補了紫外波段應(yīng)用光折變晶體材料的空白。能夠在紫外波段實現(xiàn)光折變，更短的波長意味著全息光柵的尺寸可以更小、更精細，而且可以利用紫外光動態(tài)擦除、寫入光柵，同時采用紅光、綠光等進行讀出，實現(xiàn)動態(tài)全息光學(xué)應(yīng)用。Lamarque等[38]采用南開大學(xué)所提供的高摻鎂鈮酸鋰晶體作為紫外光折變晶體，用二波耦合光放大實現(xiàn)了可編程的二維激光打標。

(2)抗光折變摻雜

光折變效應(yīng)是全息光學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)，但同時又給其它光學(xué)應(yīng)用帶來困擾，因此提高鈮酸鋰晶體的抗光折變性能也得到了高度重視，其中摻雜調(diào)控是最主要的方法。與光折變摻雜相反，抗光折變摻雜采用不易變價元素摻入晶體，以減少晶體的光折變中心。1980年Zhong等[39]在SPIE會議上報告高摻鎂鈮酸鋰晶體的抗光折變能力提高了2個數(shù)量級以上，引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注，此后高摻鎂鈮酸鋰晶體被譽為“中國之星”(China Star)；1990年Volk等[40]發(fā)現(xiàn)摻鋅鈮酸鋰具有與摻鎂鈮酸鋰晶體相似的高抗光折變性能；1992年Yamamoto等[41]發(fā)現(xiàn)摻鈧具有抗光折變性能；1994年Kong等[42]研制出了具有高抗光折變性能的高摻銦鈮酸鋰晶體。

早期抗光折變摻雜元素包括鎂、鋅、銦、鈧等二價、三價元素，2009年孔勇發(fā)等[43]發(fā)展了利用四價元素鉿、鋯、錫等進行抗光折變摻雜。在達到同樣的抗光折變能力時，與二價、三價摻雜元素相比，四價元素的摻雜量要少，例如4.0mol%摻鉿和6.0mol%摻鎂的鈮酸鋰晶體抗光折變能力相當，2.0mol%摻鋯和6.5mol%摻鎂的鈮酸鋰晶體抗光折變能力相當；而且鉿、鋯和錫在鈮酸鋰中的分凝系數(shù)更加接近1，這對于高質(zhì)量的晶體制備更加有利。

(3)其它摻雜

通過摻雜還可以對鈮酸鋰晶體的折射率進行調(diào)控。1974年Schmidt等[44]發(fā)明了通過鈦擴散制備高質(zhì)量的鈮酸鋰晶體光波導(dǎo)方法，1982年Jackel等[45]將鈮酸鋰晶體放入熱酸(如苯甲酸)中進行質(zhì)子交換(即“摻入”氫離子替代鋰離子)制備光波導(dǎo)，這兩種方法在工藝上可以兼容硅集成器件的半導(dǎo)體工藝，而且所制備的光波導(dǎo)質(zhì)量很高，均能達到實用化要求，這也是鈮酸鋰晶體能夠在集成光學(xué)器件中應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。

鈮酸鋰晶體也可以摻入稀土元素后作為激光晶體應(yīng)用，成為有源非線性光學(xué)晶體(Active-nonlinear Crystal)材料[46]，常見的摻雜稀土元素包括釹、鉺和鐿等，Palatnikov等[47]還對摻銩、鉺、鏑、鋱、釓和鐠摻雜鈮酸鋰晶體生長的分凝情況進行了系統(tǒng)研究。

稀土摻雜鈮酸鋰晶體再結(jié)合鈦擴散或質(zhì)子交換方法制備光波導(dǎo)，可以用于制備波導(dǎo)激光器，已經(jīng)報道的有集成鎖模摻釹鈮酸鋰波導(dǎo)激光器[48-49]、摻釹鈮酸鋰調(diào)Q波導(dǎo)激光器[50]、摻鉺和摻釹鈮酸鋰脊形波導(dǎo)激光器[51-52]以及將光波導(dǎo)與周期極化鈮酸鋰晶體結(jié)合的激光器[53]等。

2.2 近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體

與同成分鈮酸鋰晶體相比，近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體中因缺鋰導(dǎo)致晶格缺陷大幅減少，晶體諸多性能隨之發(fā)生變化，表1列出主要的物理性能變化情況。

表1 同成分鈮酸鋰晶體(CLN)和近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體(SLN)性能對比[54-57]Table 1 Comparison of properties between CLN and SLN[54-57]

相比同成分鈮酸鋰晶體，近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的大多數(shù)性能均有不同程度提高，比較重要的優(yōu)化包括：

(1)與同成分鈮酸鋰晶體相比，無論是光折變摻雜、抗光折變摻雜還是是激光激活離子摻雜，其性能調(diào)控的效果更加靈敏。Kong等[58]發(fā)現(xiàn)晶體的組分[Li]/[Nb]達到0.995，摻鎂量為1.0mol%時，晶體的抗光折變能力可達到26 MW/cm2以上，比同成分鈮酸鋰晶體提高6個數(shù)量級，而同成分鈮酸鋰晶體摻鎂超過4.6mol%時，僅比同成分鈮酸鋰晶體提高2個數(shù)量級。光折變摻雜、激光激活離子摻雜也有類似的效果[59]。

(2)由于近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體晶格缺陷數(shù)量大幅下降，晶體的矯頑場強也隨之大幅下降，極化翻轉(zhuǎn)所需的電壓從同成分鈮酸鋰晶體約21 kV/mm，下降到近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的約5 kV/mm[55]，這對于制備超晶格器件極為有利。而且，近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的電疇結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，疇壁更加光滑[56]。

(3)近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的諸多光電性能也得到了較大提高，比如電光系數(shù)r61提高約63%，非線性系數(shù)提高22%[57,60]，晶體的雙折射提高了43%(波長632.8 nm)，紫外吸收邊藍移等[61]。

3 鈮酸鋰晶體的制備

3.1 同成分鈮酸鋰晶體的制備

1918年Czochralski[62]報道了一種從熔體中制備金屬單晶的方法，后被稱為提拉法、直拉法、Cz法或丘克拉斯基法等，提拉法已經(jīng)發(fā)展成為最為成功的單晶生長方法，鈮酸鋰晶體主要也采用提拉法生長。

2002年徐斌等[74]利用感應(yīng)加熱提拉法生長了直徑80 mm、長60 mm的光學(xué)應(yīng)用鈮酸鋰晶體；2003年孫軍等[75]提出鈮酸鋰晶體生長過程中因等徑控制不良導(dǎo)致的晶體直徑突變是制約晶體光學(xué)均勻性的主要原因，采用計算機自動控制取代傳統(tǒng)PID回路控制器控制，所制備的3英寸鈮酸鋰晶體沿生長方向50 mm長度內(nèi)的光學(xué)均勻性Δne<3×10-5/cm,如圖5所示。

此外，泡生法[76]、導(dǎo)模法[77]、溫梯法[78]等方法也曾用來進行鈮酸鋰晶體的制備，但是與提拉法相比并沒有明顯的優(yōu)勢或具有明確的應(yīng)用需求，因此并未得到廣泛的關(guān)注。

3.2 近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的制備

近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體雖然表現(xiàn)出了諸多優(yōu)秀的光電性能，但是其配比偏離固液同成分共熔點，無法采用常規(guī)的提拉法生長高質(zhì)量的晶體。長期以來圍繞近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體的制備，眾多單位開展了大量的研究工作，主要采用的方法包括以下幾種。

(1)富鋰熔體法

根據(jù)Li2O-Nb2O5的贗二元系相圖，Li2O含量近50.00mol%的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體需要從Li2O含量約58mol%的富鋰熔體中生長，1971年Carruthers等[65]采用提拉法從富鋰熔體中生長了近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體，由于晶體組分與熔體組分的巨大差異，晶體生長界面需要充分的擴散，他們采用的生長速度非常緩慢，小于0.09 mm/h。同時，隨著晶體生長的進行，熔體中鋰含量逐漸增高，導(dǎo)致后續(xù)生長的晶體組分也隨之變化。

為解決富鋰熔體提拉法生長晶體組分頭尾不一致的問題，國內(nèi)外開展了系列研究。1992年日本的Kitamura等[79-80]報道了在富鋰熔體生長時向熔體中連續(xù)加料的雙坩堝法，以維持熔體的組分不變，從而實現(xiàn)了組分一致的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體生長，生長了直徑達40 mm，長度50～100 mm的化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體，1997年利用同樣的技術(shù)生長了直徑55 mm、長150 mm的化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體[81]；2005年Sun等[82-83]開發(fā)了連續(xù)熔體注入法，在晶體生長過程中加注Li2O含量為64mol%的低熔點共晶相原料，晶體生長只需要使用一個坩堝；2005年Zheng等[84]開發(fā)了新型的雙坩堝法，在晶體生長過程中通過模具擠壓外坩堝的熔體補充到內(nèi)坩堝中，晶體在內(nèi)坩堝中生長時維持了熔體組分恒定；2006年高磊[85]改進Kitamura等提出的雙坩堝法，用懸掛的鉑金筒替代內(nèi)坩堝，同樣采用連續(xù)加料進行富鋰熔體生長近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體。

但是，連續(xù)加料僅僅解決了晶體頭尾組分不一致的問題，晶體與熔體組分巨大差異給晶體生長帶來的影響并未得到解決，而且復(fù)雜的連續(xù)加料系統(tǒng)給近化學(xué)計量比鈮酸鋰的晶體生長進一步增加了難度，較早利用該技術(shù)開展商品化生產(chǎn)的日本Oxide公司，目前僅提供直徑2英寸的晶片[86]。

(2)助熔劑法

1992年烏克蘭Malovichko等[87-88]嘗試了利用K2O作為助熔劑進行鈮酸鋰晶體生長，在固液同成分共熔點配比的熔體中加入質(zhì)量分數(shù)6%的K2O助熔劑，獲得了近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體，K2O基本不進入晶體；2002年P(guān)olgár等[89]研究了不同K2O助熔劑含量的頂部籽晶法鈮酸鋰晶體生長，在助熔劑含量K2O/LiNbO3達到15.5mol%～17.5mol%時，利用化學(xué)計量比配比的原料可以生長出[Li]/[Li+Nb]為0.499 6～0.499 9的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體；2004年陸寶亮等[90]采用助熔劑-坩堝下降法，同樣采用K2O作為助熔劑，在密閉的鉑坩堝中, 成功地生長出尺寸為 25 mm×40 mm的近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶。

助熔劑法的晶體組分與熔體組分之間同樣存在巨大的差異，晶體生長界面需要進行充分的擴散，所以晶體生長速度慢，容易產(chǎn)生包裹體等缺陷，且隨著晶體生長進行熔體組分的變化使晶體組分隨之改變，因此助熔劑法也并未得到實際應(yīng)用。

(3)擴散法

1978年Holman等[91]確定LiNbO3的相界時，就利用氣相擴散平衡原理制備了化學(xué)計量配比的鈮酸鋰晶體，1992年Jundt等[92]采用該方法制備了不同組分的鈮酸鋰晶體。與直接晶體生長法不同，擴散法采用缺鋰的同成分鈮酸鋰晶體為基片，在富鋰環(huán)境下進行固相擴散，使鋰離子進入晶體中，受到擴散速度的限制，難以制備大厚度晶體，1992年Jundt等利用擴散法對厚度3 mm的同成分鈮酸鋰晶體進行了擴散處理，測量了鋰離子的擴散系數(shù)；2004年Liang等[93]制備了尺寸10 mm×8 mm、最大厚度為3.11 mm的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體，晶體中心Li2O含量較低，約為49.52mol%；2015年孫軍等[94]利用改進后的擴散法制備了直徑3英寸厚度為3.1 mm的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶片，晶體中Li2O含量達到49.95mol%，且組分均勻一致，達到實用化水平，但是擴散時間長達650 h。

2008年孫軍[95]分析了富鋰氣氛擴散時晶片被腐蝕的原因，認為富鋰原料合成反應(yīng)不充分，存在氧化鋰、五氧化二鈮等與晶片發(fā)生反應(yīng)，并通過熔融合成富鋰料，實現(xiàn)了富鋰料與晶片直接接觸進行擴散，制備了系列3英寸近化學(xué)計量比晶片(圖6)，并且實現(xiàn)了富鋰料的重復(fù)利用，大幅降低了擴散法的成本。

2015年楊金鳳等[96]發(fā)現(xiàn)，鋰離子通過擴散進入同成分鈮酸鋰晶體后，原來晶體中的反位鈮必須要擴散到晶體外面，認為反位鈮的擴散速度是制約鋰離子擴散速度的關(guān)鍵，提出在晶片兩側(cè)構(gòu)建一個非對稱的富鋰氣氛，為反位鈮在高溫下擴散出晶體提供一個通道，從而加快了擴散速度，使擴散法可以制備更大厚度的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體。

3.3 鈮酸鋰單晶薄膜

由于制備技術(shù)或薄膜質(zhì)量的原因，上述各種方法制備的鈮酸鋰薄膜并未得到應(yīng)用，真正得到應(yīng)用的方法是“離子切片”(Ion Slicing)技術(shù)。1998年Levy等[107]首先報道利用該技術(shù)制備鈮酸鋰單晶薄膜，該技術(shù)首先將鈮酸鋰晶片貼裝在一個襯底上，然后用氦離子垂直注入到鈮酸鋰晶片中，再將離子注入后的晶體放入稀釋后的氫氟酸中進行腐蝕，鈮酸鋰晶體的表層會剝離下來，從而得到了單晶薄膜，他們采用3.8 MeV的氦離子得到的單晶薄膜厚度9 μm，尺寸為10 mm×3 mm；2007年P(guān)astureaud等[108]將離子注入后的鈮酸鋰晶片，鍵合在硅片上，然后通過加熱使離子注入的部分開裂，得到了鍵合在硅片上的鈮酸鋰單晶薄膜，剝離面經(jīng)過拋光后，得到的單晶薄膜厚度約500 nm；2004年Rabiei等[109]利用類似的技術(shù)，以沉積了金屬電極和二氧化硅絕緣層的鈮酸鋰晶體為襯底制備厚度約680 nm的鈮酸鋰單晶薄膜；2009年Hu等[110]利用類似技術(shù)制備了30 mm×15 mm的大尺寸鈮酸鋰單晶薄膜；2009年Hu等[111]進一步發(fā)展了“離子切片”技術(shù)，實現(xiàn)了在二氧化硅薄膜上面鍵合的3英寸鈮酸鋰單晶薄膜，稱為LNOI(Lithium Niobate on Insulator)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了商品化，能夠提供直徑4英寸、厚度300～900 nm的單晶薄膜產(chǎn)品(如圖7)[112]。

“離子切片”技術(shù)制備的鈮酸鋰單晶薄膜很快引起了鈮酸鋰晶體器件研究方面的關(guān)注。在壓電應(yīng)用方面，鈮酸鋰單晶薄膜主要被應(yīng)用于高頻聲表面波器件的制備，2018年Yang等[113-114]報道了中心頻率10.8 GHz、21.4 GHz和29.9 GHz的諧振器，2019年Yang等[115]報道了基于鈮酸鋰單晶薄膜的C波段濾波器。在光學(xué)應(yīng)用方面鈮酸鋰單晶薄膜的前景更加廣闊，2012年P(guān)oberaj等[116]綜述了基于鈮酸鋰單晶薄膜的微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，包括利用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕和聚焦粒子束(FIB)光刻等技術(shù)制備光波導(dǎo)、波導(dǎo)耦合器、光子晶體、微腔等微納光學(xué)結(jié)構(gòu)器件；2017年Zhang等[117]利用鈮酸鋰單晶薄膜制備了一種超低損耗的整體式集成鈮酸鋰晶體納米光子平臺，傳輸損耗低至2.7 dB/m，環(huán)行微腔的品質(zhì)因數(shù)Q高達107；2018年Wang等[118]基于該納米光子平臺技術(shù)，制備了調(diào)制速率40 Gbps的微型鈮酸鋰電光調(diào)制器。

3.4 鈮酸鋰單晶光纖

傳統(tǒng)光纖一般基于玻璃態(tài)材料制備，而采用單晶制備光纖具有傳統(tǒng)玻璃光纖所不具備的新特性，既具有晶體的各種光電效應(yīng)，又具有光纖的柔性導(dǎo)光、超長作用距離等特性，在光纖傳感、光學(xué)信息處理、非線性光學(xué)、激光技術(shù)等方面具有誘人的應(yīng)用前景。鈮酸鋰晶體作為多功能光電晶體材料，其單晶光纖的制備也具有重要的意義。

1972年Haggerty[119]詳細介紹了利用二氧化碳激光加熱的浮區(qū)法 (LHPG)生長Al2O3、TiC、Y2O3等光纖，此后該方法在鈮酸鋰單晶光纖制備中得到了較多研究；1984年Fejer等[120]利用該方法生長了多種單晶光纖，兩個規(guī)格鈮酸鋰單晶光纖的直徑分別為50 μm和170 μm，長度約30 mm；1987年Luh和Fejer等[121]又利用該技術(shù)生長了鈮酸鋰單晶光纖，利用擴散法得到不同鋰含量的光纖，并用其實現(xiàn)了954 nm激光倍頻獲得477 nm藍光輸出；1989年Magel等[122]和Fejer等[123]制備了周期性電疇結(jié)構(gòu)鈮酸鋰單晶光纖；1995年Foulon等[124]生長了稀土元素鐿摻雜的鈮酸鋰單晶光纖，為了克服光折變效應(yīng)，在摻鐿的同時還分別共摻了鈧和鎂，直徑從0.1 mm到1 mm，平均長度50 mm；1999年Yin[125]生長了鈰鐵雙摻的鈮酸鋰單晶光纖，直徑0.7 mm，長度12 mm。

除利用LHPG法之外，1990年Oguri等[126-127]利用微下拉法生長了最小直徑只有10 μm的摻鎂鈮酸鋰單晶光纖，直徑波動±0.2 μm；1991年Zhong等[128]用導(dǎo)模法生長了直徑為0.5 mm、長度達到160～170 mm的鈮酸鋰單晶光纖。

4 鈮酸鋰晶體的主要應(yīng)用

4.1 壓電應(yīng)用

鈮酸鋰晶體居里溫度高，壓電效應(yīng)的溫度系數(shù)小，機電耦合系數(shù)高，介電損耗低，晶體物化性能穩(wěn)定，加工性能良好，又易于制備大尺寸高質(zhì)量晶體，是一種優(yōu)良的壓電晶體材料。與常用的壓電晶體石英相比，鈮酸鋰晶體聲速高，可以制備高頻器件，因此鈮酸鋰晶體可用于諧振器、換能器、延遲線、濾波器等，應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字信號處理、電視機、廣播、雷達、遙感遙測等民用領(lǐng)域以及電子對抗、引信、制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域。

應(yīng)用最為廣泛的是聲表面波濾波器件(SAWF)，如圖8所示。上世紀七十年代開始，鈮酸鋰晶體中頻聲表面波濾波器件被大量應(yīng)用于彩色電視機、無繩電話、電子遙控器等，2010年隨著硅調(diào)諧器集成芯片的應(yīng)用，電視機中的中頻聲表面波濾波器基本退出市場。在移動通信應(yīng)用方面，從上個世紀八十年代開始，移動通信從2G、3G、4G向5G不斷更新?lián)Q代，而移動終端又必須向下兼容，使得對聲表面波濾波器的需求量劇增，以每個頻段需要兩個濾波器計，每部手機需要的聲表面波濾波器會高達一百多個，其中大部分采用鈮酸鋰和鉭酸鋰晶體制備，特別是鈮酸鋰晶體在帶有溫度補償?shù)穆暠砻娌V波器(TCSAW)方面得到了廣泛應(yīng)用。

對于壓電應(yīng)用，鈮酸鋰晶體的組分對聲速影響較大，需要嚴格控制其波動范圍，因為居里溫度對晶體組分非常敏感，因此多采用居里溫度表征晶體組分的一致性；另外，晶體的單疇化也會直接影響晶體壓電性能。因此，壓電器件應(yīng)用的鈮酸鋰晶體技術(shù)指標要求主要包括居里溫度、單疇化和內(nèi)部散射顆粒等，晶體中傳播波長較長的機械波，對尺度遠比波長小的晶格缺陷等不敏感，通常把滿足壓電應(yīng)用的鈮酸鋰晶體稱為“聲學(xué)級鈮酸鋰晶體”。

此外，1982年Lewis[130]報道了鈮酸鋰晶體熱釋電效應(yīng)對聲表面波器件制備的影響，發(fā)現(xiàn)鈮酸鋰晶體的熱釋電效應(yīng)導(dǎo)致電極和晶體破壞，可采用高電阻金屬短路電極的方法進行抑制。1998年Standifer等[131]采用化學(xué)還原處理的方法，將鈮酸鋰晶體的光吸收提高了1 000倍，改善了光刻時更窄、更精細的線條曝光質(zhì)量，晶體電導(dǎo)率也增加了105以上，抑制了聲表面波器件工藝中熱處理過程熱釋電效應(yīng)對叉指電極的損壞。這種方法所制備的鈮酸鋰晶片被稱為“黑鈮酸鋰”，目前已經(jīng)在聲表面波濾波器中得到推廣應(yīng)用。

4.2 光學(xué)應(yīng)用

除壓電效應(yīng)外，鈮酸鋰晶體的光電效應(yīng)非常豐富，其中電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)性能突出，應(yīng)用也最為廣泛。而且鈮酸鋰晶體可以通過質(zhì)子交換或鈦擴散制備高品質(zhì)的光波導(dǎo)，又能夠通過極化翻轉(zhuǎn)制備周期性極化晶體，所以在電光調(diào)制器(如圖9)、相位調(diào)制器、集成光開關(guān)、電光調(diào)Q開關(guān)、電光偏轉(zhuǎn)、高電壓傳感器、波前探測、光參量振蕩器以及鐵電超晶格等器件中得到廣泛應(yīng)用。此外，雙折射楔角片、全息光學(xué)器件、紅外熱釋電探測器以及摻鉺波導(dǎo)激光器等基于鈮酸鋰晶體的應(yīng)用也有報道。

與壓電應(yīng)用不同，這些涉及光學(xué)傳輸?shù)膽?yīng)用對鈮酸鋰晶體提出了不同的要求。首先，光學(xué)應(yīng)用的鈮酸鋰晶體中傳播的是光波，波長從數(shù)百納米到幾微米，不僅需要晶體具有優(yōu)異的光學(xué)均勻性，還需要對尺度可以和光波波長相比擬的晶體缺陷進行嚴格控制；其次，作為光學(xué)應(yīng)用通常需要控制光波在晶體中傳播時的相位、偏振等參量，這些參量與晶體的折射率大小和折射率分布直接相關(guān)，因此還需盡可能消除晶體的內(nèi)部應(yīng)力和外部應(yīng)力，避免光彈效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力雙折射。滿足光學(xué)應(yīng)用需求的鈮酸鋰晶體通常被稱為“光學(xué)級鈮酸鋰晶體”。

光學(xué)級鈮酸鋰晶體主要采用Z軸和X軸生長。Z軸是鈮酸鋰晶體的最高對稱軸，該方向生長晶體時晶體的對稱性與熱場的對稱性一致，有利于生長高質(zhì)量晶體，所以器件要求晶體切割為方塊或異形塊時，多采用Z軸生長的晶體，鐵電超晶格器件也采用Z軸鈮酸鋰晶片制備。X軸鈮酸鋰晶體主要是為了制備X-cut鈮酸鋰晶圓，以便兼容由半導(dǎo)體工藝發(fā)展起來的切割、倒角、研磨、拋光、光刻等后續(xù)加工工藝，應(yīng)用于大多數(shù)電光調(diào)制器、相位調(diào)制器、雙折射楔角片、波導(dǎo)激光器等。

4.3 介電超晶格

1962年Armstrong等[133]首次提出了準相位匹配(QPM，Quasi-Phase-Match)的概念，利用超晶格提供的倒格矢來補償光參量過程中的位相失配。鐵電體的極化方向決定非線性極化率χ2的符號，將鐵電體內(nèi)制備出周期性極化方向相反的鐵電疇結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)準位相匹配技術(shù)，包括鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀等晶體都可以制備周期極化晶體，其中鈮酸鋰晶體是制備和應(yīng)用該技術(shù)研究最早、實際應(yīng)用最為廣泛的材料。

1969年Camlibel[134]提出，可以使用30 kV/mm以上的高壓電場使鈮酸鋰等鐵電晶體的鐵電疇反轉(zhuǎn)，然而如此高的電場很容易將晶體擊穿，當時的技術(shù)條件難以制備精細的電極結(jié)構(gòu)，也難以精確控制疇極化反轉(zhuǎn)過程。此后，人們嘗試采用鈮酸鋰晶體不同極化方向交替疊片的方法構(gòu)建聚片多疇結(jié)構(gòu)，但能夠?qū)崿F(xiàn)的晶片數(shù)量有限[135]。1980年Feng等[135-136]通過晶體旋轉(zhuǎn)中心與熱場軸對稱中心偏置，用偏心生長的方法獲得了周期極化疇結(jié)構(gòu)的晶體，并且實現(xiàn)了1.06 μm激光的倍頻輸出，驗證了準相位匹配理論。但這種方法在周期結(jié)構(gòu)的精細控制方面存在較大困難，1993年Yamada等[137]將半導(dǎo)體光刻工藝和外加電場方法結(jié)合起來，成功解決了周期疇極化反轉(zhuǎn)過程，外加電場極化的方法逐漸成為周期極化鈮酸鋰晶體的主流制備技術(shù)。目前，周期極化鈮酸鋰晶體已經(jīng)實現(xiàn)了商品化生產(chǎn)，厚度可以達到5 mm以上[138]。

周期極化鈮酸鋰晶體的初期應(yīng)用主要考慮應(yīng)用于激光頻率變換，早在1989年Ming等[139]根據(jù)鈮酸鋰晶體鐵電疇構(gòu)建成的超晶格，提出了介電超晶格的概念，超晶格的倒格矢會參與光波、聲波的激發(fā)與傳播過程。1990年Feng、Zhu等[140-141]提出了多重準位相匹配理論，1995年Zhu等[142-144]利用室溫極化技術(shù)制備了準周期介電體超晶格，1997年進行了實驗驗證，將兩個光參量過程——倍頻與和頻在一塊準周期超晶格實現(xiàn)了有效耦合，首次實現(xiàn)了激光高效三倍頻。2001年Liu等[145]基于準相位匹配設(shè)計了實現(xiàn)三基色激光的方案，2004年Zhu等[146]實現(xiàn)多波長激光輸出的光學(xué)超晶格設(shè)計及其在全固態(tài)激光器中的應(yīng)用；2014年Jin等[147]設(shè)計了基于可重構(gòu)鈮酸鋰波導(dǎo)光路的光學(xué)超晶格集成光子芯片，如圖10所示, 首次實現(xiàn)了芯片上糾纏光子高效產(chǎn)生和高速電光調(diào)制；2018年Wei等[148]和Xu等[149]制備了基于鈮酸鋰晶體的3D周期疇結(jié)構(gòu)，并在2019年[150]利用3D周期疇結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高效非線性光束整形。

介電超晶格理論的提出和發(fā)展，將鈮酸鋰晶體及其他鐵電晶體應(yīng)用推向一個新高度，在全固態(tài)激光器、光學(xué)頻率梳、激光脈沖壓縮、光束整形以及量子通信中的糾纏光源等方面具有重要的應(yīng)用前景。

5 鈮酸鋰晶體的展望

5.1 聲學(xué)應(yīng)用

目前的第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)(5G)部署包含了3～5 GHz的sub-6G頻段以及24 GHz以上的毫米波頻段，通信頻率提高不僅要求晶體材料壓電性能能夠滿足，也要求晶片更薄、叉指電極間距更小，器件的制備工藝受到極大挑戰(zhàn)。因此，在4G時代及以前所廣泛應(yīng)用的鈮酸鋰晶體和鉭酸鋰晶體制備的聲表面濾波器，在5G時代面臨著聲體波器件(BAW)和薄膜腔聲諧振器件(FBAR)的競爭。

鈮酸鋰晶體在更高頻率的濾波器方面研究的進展很快，材料和器件制備技術(shù)仍然表現(xiàn)出巨大的潛力。2018年Kimura等[151]基于128°Y鈮酸鋰晶片制備了3.5 GHz縱漏聲表面波器件；在利用鈮酸鋰單晶薄膜的聲學(xué)器件方面，2019年Lu等[152]采用鈮酸鋰單晶薄膜制備的延遲線在2 GHz的插入損耗最小只有3.2 dB，認為可以應(yīng)用于5G通信的增強移動寬帶(eMMB)場景；2018年Yang等[113]制備了中心頻率10.8 GHz的鈮酸鋰諧振器，插入損耗10.8 dB；同年Yang等[114]還報道了基于鈮酸鋰晶體薄膜的21.4 GHz和29.9 GHz的諧振器，進一步展示了鈮酸鋰晶體在高頻器件方面的潛力，認為能夠解決5G網(wǎng)絡(luò)中Ka頻段(26.5～40 GHz)對微型化前端濾波器的需求。2019年，Yang等[115]報道了基于鈮酸鋰單晶薄膜的C波段濾波器，工作在4.5 GHz。

因此，隨著鈮酸鋰單晶薄膜材料以及新型聲學(xué)器件技術(shù)的發(fā)展，作為未來5G通信的核心器件之一，基于鈮酸鋰晶體的前端射頻濾波器具有重要的應(yīng)用前景。

5.2 光通信應(yīng)用

光調(diào)制器是高速光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，未來對鈮酸鋰電光調(diào)制器的要求包括更高調(diào)制速率以及小型化、集成化。目前商業(yè)應(yīng)用的鈮酸鋰電光調(diào)制器以40/100 Gbps為主，更高速率的鈮酸鋰調(diào)制器已經(jīng)被開發(fā)出來，比如2017年富士通就發(fā)布了600 Gbps的鈮酸鋰電光調(diào)制器，目前400 Gbps及600 Gbps的產(chǎn)品正在逐步進入市場。

基于鈮酸鋰單晶薄膜的調(diào)制器對于器件的小型化和集成化起到了重要作用，2018年Wang等[153]研制了納米級的鈮酸鋰調(diào)制器、環(huán)形諧振器和M-Z干涉器所組成的鈮酸鋰調(diào)制芯片，在小型化和集成化方面引人矚目。2019年,中山大學(xué)He等[154]將鈮酸鋰M-Z干涉調(diào)制器與硅基光子學(xué)器件集成，調(diào)制速率達到了112 Gbps，既能解決傳統(tǒng)鈮酸鋰塊材料器件尺寸過大、不利于集成的問題，又能兼容成熟的硅基光子學(xué)工藝，與其它集成光子學(xué)器件實現(xiàn)片上集成。

光通信技術(shù)是第五代移動通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要一環(huán)，鈮酸鋰電光調(diào)制器作為其中的核心器件，也會迎來更大的發(fā)展。

5.3 光子集成芯片

光子已經(jīng)在高容量通信、光存儲、信息傳遞、信息處理、探測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，與電子學(xué)從分立元件到集成電路的發(fā)展一樣，光子學(xué)器件的微小型化、集成化、低功耗、模塊化、智能化和高可靠性等要求越來越高，必然要用集成光子學(xué)芯片替代分立光學(xué)元件。前期集成光子學(xué)芯片的發(fā)展主要是光通信需求的牽引，圍繞硅基光子學(xué)和磷化銦基集成開展研究。硅基光子學(xué)集成芯片得益于龐大的成熟半導(dǎo)體材料和工藝技術(shù)體系發(fā)展很快，但硅基激光器制備技術(shù)一直是其中的短板，目前依賴與磷化銦混合集成；部分磷化銦集成光子芯片已經(jīng)獲得商業(yè)化應(yīng)用，性能也比硅基光子學(xué)集成芯片更加優(yōu)秀，但缺乏像硅一樣的通用工藝平臺，工藝技術(shù)復(fù)雜，價格昂貴。由光通信需求牽引的鈮酸鋰基集成光子學(xué)研究，主要圍繞馬赫-曾德干涉光強調(diào)制器、相位調(diào)制器以及集成光開關(guān)等方面開展。

除光通信領(lǐng)域?qū)晒庾訉W(xué)的需求外，基于光子學(xué)的光量子信息處理、光計算、生物傳感、成像探測、信號處理、存儲、三維顯示等未來需求更加龐大，與硅或磷化銦等混合集成的方案難以適用。從單項技術(shù)發(fā)展來看，幾乎所有的光子學(xué)元件都已經(jīng)基于鈮酸鋰晶體實現(xiàn)，包括通過稀土摻雜實現(xiàn)的鎖模激光器、調(diào)Q激光和光放大等，鈦擴散和質(zhì)子交換實現(xiàn)的光波導(dǎo)以及集成光開關(guān)、光交叉、光耦合以及單光子探測等，利用電光效應(yīng)實現(xiàn)的強度、相位和偏振的調(diào)制、波前探測和光脈沖選擇等，利用非線性光學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)的光頻率變換、量子糾纏態(tài)光子產(chǎn)生，利用光折變效應(yīng)實現(xiàn)的光柵、全息存儲、相位共軛器、空間光調(diào)制器等，以及鈮酸鋰光子晶體、鈮酸鋰光學(xué)微腔發(fā)展起來的全光邏輯門、半加器[155]、頻率梳等新型器件，還可以通過壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、光彈效應(yīng)等實現(xiàn)對力、熱、光等信號之間的相互轉(zhuǎn)換與傳感。在目前發(fā)展較為成熟的光電材料體系中，基于同一個基質(zhì)材料發(fā)展如此多的基本光學(xué)元件、光子學(xué)器件和光電器件是罕見的，這也讓人們對鈮酸鋰晶體未來在集成光子學(xué)芯片發(fā)展中發(fā)揮更重要作用充滿了期待。

發(fā)展基于鈮酸鋰晶體的集成光子學(xué)芯片，要解決的首要問題是微納加工技術(shù)。鈮酸鋰晶體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常規(guī)的干法刻蝕或濕法刻蝕都不能用于鈮酸鋰晶體的微納結(jié)構(gòu)加工[156]，已經(jīng)發(fā)展出了超精密金剛石機械加工、飛秒激光加工、反應(yīng)離子刻蝕、聚焦粒子束刻蝕等制造技術(shù)，實現(xiàn)了幾微米到數(shù)百微米尺度微結(jié)構(gòu)的加工[157]。Gao等[158]利用聚焦高能鎵離子束在鈮酸鋰薄膜表面實現(xiàn)了納米尺度加工，制備出了周期排列的納米線陣列，形成了鈮酸鋰超表面，能夠?qū)Σ煌肷涔獠ㄩL選擇透過(如圖11)，從而賦予了鈮酸鋰晶體全新的光學(xué)性質(zhì)。

在鈮酸鋰基光子芯片集成研究進展方面，2014年Jin等[147]在國際上首次報道了高速電光調(diào)制鈮酸鋰晶體糾纏光子芯片，不僅解決了量子信息技術(shù)對有源光量子芯片的需求，同時也開創(chuàng)了鈮酸鋰晶體單片集成光子學(xué)芯片先河，在國內(nèi)外掀起了基于鈮酸鋰晶體的集成光子學(xué)芯片發(fā)展的熱潮。2017年Zhang等[117]利用鈮酸鋰單晶薄膜制備了一種超低損耗的整體式集成鈮酸鋰晶體納米光子平臺，傳輸損耗低至2.7 dB/m，環(huán)行微腔的品質(zhì)因數(shù)Q高達107，隨后Wang等[118]基于該納米光子學(xué)平臺技術(shù)，制備了調(diào)制速率40 Gbps的微型鈮酸鋰電光調(diào)制器，2017年Burrows[5]評論相關(guān)研究進展時，認為鈮酸鋰晶體對于光子學(xué)而言，就像硅材料對于電子學(xué)一樣重要，現(xiàn)在正在進入“鈮酸鋰谷”時代。

鈮酸鋰晶體集多種光電性能于一體且能夠達到實用化性能要求，在光電材料中非常罕見。隨著鈮酸鋰晶體集成光子學(xué)芯片理論、制備及應(yīng)用等核心技術(shù)的發(fā)展與完善，鈮酸鋰晶體成為光子時代的“光學(xué)硅”材料，為集成光子學(xué)的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎(chǔ)支撐。