崔雪晴，謝冉冉，劉洪亮，賈曰辰*，陳 峰

1 山東大學(xué)物理學(xué)院 晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250100；2 南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院微尺度光學(xué)信息基礎(chǔ)科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350

1 引 言

超構(gòu)表面是由亞波長(zhǎng)尺寸的超構(gòu)單元構(gòu)建的二維表面，能夠靈活地對(duì)電磁場(chǎng)的局域分布進(jìn)行調(diào)控，在近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注[1-2]。通過(guò)對(duì)超構(gòu)單元的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，二維超構(gòu)表面能夠以亞波長(zhǎng)分辨率控制電磁波的偏振、相位和振幅等特性[3]。相較于三維超構(gòu)材料，二維超構(gòu)表面不僅能夠極大地緩解傳統(tǒng)超構(gòu)材料中積累的高阻損耗，并且規(guī)避了復(fù)雜的三維納米結(jié)構(gòu)的制造要求。此外，亞波長(zhǎng)厚度的超構(gòu)表面具有顯著的集成優(yōu)勢(shì)，使研制具備多種光學(xué)功能的超緊湊光子器件成為可能，對(duì)于微納光子學(xué)與集成光子學(xué)具有重要意義。特別是在非線性光學(xué)領(lǐng)域，超構(gòu)表面可以在一定程度上緩解甚至完全克服相位匹配的要求，從而表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性光學(xué)響應(yīng)[4-5]。

超構(gòu)表面的早期研究主要圍繞等離激元(金屬)材料展開(kāi)[6-7]，材料中的光子-電子模式的集合振蕩能夠提升局域電場(chǎng)限制并增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，因而在非線性增強(qiáng)[8-10]、高靈敏度傳感[11-13]、量子光學(xué)[14-15]等方面取得了一系列振奮人心的成果。然而，金屬材料在除微波之外的其它波段表現(xiàn)出顯著的歐姆損耗，導(dǎo)致傳統(tǒng)等離激元超構(gòu)表面的光學(xué)品質(zhì)因子(quality factor，Q-factor)相對(duì)較低，這也限制了它們?cè)诙喾N功能性納米光子器件中的應(yīng)用。此外，一些貴金屬(如金和銀等)不僅制作成本較高，其微納加工工藝也與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)工藝不兼容。鑒于此，與半導(dǎo)體工藝相兼容的介電超構(gòu)表面逐漸成為研究熱點(diǎn)[16-17]。

介電超構(gòu)表面通常由具有高折射率、高非線性系數(shù)的介質(zhì)或半導(dǎo)體材料(如Si、GaAs、TiO2等)構(gòu)成，這些材料通常在光學(xué)頻率波段損耗較低，并且與周圍介質(zhì)之間具有較高的折射率對(duì)比度，能夠激發(fā)除電場(chǎng)共振模式之外的磁場(chǎng)共振模式，進(jìn)而可以通過(guò)電磁共振來(lái)調(diào)控光的性質(zhì)并且實(shí)現(xiàn)局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)。因此，介電超構(gòu)表面在諸多領(lǐng)域都展示出了優(yōu)異的光學(xué)性能[18-22]。然而，在非線性光學(xué)應(yīng)用方面，以Si 為代表的諸多半導(dǎo)體材料由于具有中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)而不表現(xiàn)出倍頻、差頻等二階非線性光學(xué)性質(zhì)，僅僅應(yīng)用于三階非線性光學(xué)性能增強(qiáng)。而以GaAs 為代表的具有非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料大多帶隙較窄，因而不適用于可見(jiàn)光波段的應(yīng)用。因此，尋找功能更為全面的介電材料尤為重要。

鐵電晶體鈮酸鋰(LiNbO3)具有從可見(jiàn)光到中紅外波段(0.35 μm～5 μm)的透明窗口、相對(duì)較高的折射率、優(yōu)異的電光(electro-optic，EO)和二階非線性光學(xué)性能以及出色的聲光和壓電特性[23-24]，被譽(yù)為“光學(xué)硅”[25]。這些獨(dú)特的性質(zhì)使鈮酸鋰成為光子學(xué)中應(yīng)用最廣泛的材料之一，是實(shí)現(xiàn)高效介電超構(gòu)表面的理想基底材料。隨著近幾年來(lái)絕緣體上鈮酸鋰(lithiumniobate-on-insulator，LNOI)薄膜技術(shù)[26-27]以及相關(guān)表面微納制造技術(shù)的快速發(fā)展，一系列高質(zhì)量、高性能的鈮酸鋰片上光子功能性器件得以實(shí)現(xiàn)[28-31]，例如具有超高性能的緊湊型調(diào)制器[32-35]、寬帶頻率梳[36-38]、以及高效率的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器[39-41]和單光子源[42-43]等。其中，鈮酸鋰片上超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)在非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換、電光調(diào)制、光無(wú)源等方面的研究取得了巨大進(jìn)展。

本文簡(jiǎn)要介紹了幾種有潛力制備高質(zhì)量鈮酸鋰超構(gòu)表面的微納加工技術(shù)，同時(shí)總結(jié)了近期鈮酸鋰超構(gòu)表面在光頻轉(zhuǎn)換、電光調(diào)制、光無(wú)源等方面的研究進(jìn)展，并對(duì)其在微納光學(xué)領(lǐng)域有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较蜻M(jìn)行了展望。

2 鈮酸鋰超構(gòu)表面的制備

高質(zhì)量的LNOI 薄膜是利用“離子切片”工藝研制的，并已在近幾年實(shí)現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品化。具體的制備步驟可參考已經(jīng)發(fā)表的綜述論文[44-45]，本文不再贅述。這里簡(jiǎn)要介紹LNOI 片上超構(gòu)表面的制備方法。

事實(shí)上，LNOI 片上超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的制備工藝與其它LNOI 片上微納光子學(xué)結(jié)構(gòu)(如波導(dǎo)、微腔等)類似。制備過(guò)程可以按照有無(wú)掩膜的情況加以區(qū)分，典型的制備流程如圖1 所示。有掩膜情況主要分為兩種：1) 首先利用光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)光刻膠的圖案化，此處光刻膠可以直接作為掩膜，也可以在光刻后沉積一層金屬作為掩膜，再結(jié)合剝離(lift-off)工藝完成圖案化處理；掩膜制備完成后，結(jié)合干法刻蝕或者化學(xué)機(jī)械拋光(chemical-mechanical polishing，CMP)技術(shù)去除多余的鈮酸鋰，完成圖案轉(zhuǎn)移；隨后進(jìn)行后處理過(guò)程，利用濕法刻蝕去除殘留掩膜，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的初步制備。2) 在沉積一層金屬掩膜后采用飛秒激光燒蝕技術(shù)對(duì)掩膜進(jìn)行圖案化處理；利用CMP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖案轉(zhuǎn)移；通過(guò)后處理過(guò)程去除殘留掩膜。無(wú)掩膜直接刻蝕鈮酸鋰可以通過(guò)聚焦離子束(focused ion beam，F(xiàn)IB)、CMP 或者飛秒激光燒蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中以FIB 技術(shù)最為常見(jiàn)。此外，對(duì)于需要做后處理的微盤腔、納米梁等特殊結(jié)構(gòu)，可以再結(jié)合濕法刻蝕去除底部多余的襯底結(jié)構(gòu)。在制備過(guò)程中，CMP 也可作為降低表面或側(cè)壁粗糙度的后處理過(guò)程。

圖1 LNOI 片上微納光子學(xué)結(jié)構(gòu)制備的主要流程圖：圖案化處理；圖案轉(zhuǎn)移；后處理過(guò)程Fig.1 The main flow chart of fabrication of photonic structure on the LNOI chip: patterned processing;pattern transfer;post-processing

接下來(lái)本文將對(duì)上述制備過(guò)程中所涉及的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

用于圖案化處理的光刻技術(shù)主要分為紫外光刻技術(shù)(ultraviolet photolithography)[46]和電子束曝光技術(shù)(electron beam lithography，EBL)[47-48]兩種類型。與紫外光刻技術(shù)相比，EBL 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于加工精度較高，有利于鈮酸鋰薄膜上復(fù)雜圖案的制備。但紫外光刻技術(shù)具有更高的制造效率，適合超構(gòu)表面光學(xué)器件的大規(guī)模量產(chǎn)。此外，紫外光刻技術(shù)能夠與CMOS 加工工藝相兼容，而CMOS 工藝有助于實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的單片集成，降低封裝成本。

在圖案轉(zhuǎn)移過(guò)程中，相比于其他刻蝕方法，干法刻蝕具有各向異性、可靈活控制刻蝕深度、適于轉(zhuǎn)移復(fù)雜二維圖案并兼容多層處理等優(yōu)點(diǎn)，在微納結(jié)構(gòu)加工中備受青睞，也更適用于超構(gòu)表面的制備。在過(guò)去的幾十年里，包括反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)、感應(yīng)耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕(inductively coupled plasma reactive ion etching，ICP-RIE)[49-51]以及Ar+等離子體純物理刻蝕(即氬刻)[52-55]等在內(nèi)的多種干法刻蝕方法都得到了廣泛的應(yīng)用。與Si 和SiNx等大多數(shù)集成光子學(xué)平臺(tái)不同的是，鈮酸鋰缺乏合適的反應(yīng)離子刻蝕配方，在高質(zhì)量微納結(jié)構(gòu)的制造上存在困難。例如，基于氟化物的RIE 雖然可以通過(guò)形成具有揮發(fā)性的氟化鈮(NbF4)有效去除鈮酸鋰[56]，但同時(shí)該方法也會(huì)在表面形成難揮發(fā)的氟化鋰(LiF)顆粒，導(dǎo)致嚴(yán)重的二次沉積問(wèn)題[57-58]。針對(duì)此，研究人員對(duì)刻蝕參數(shù)(如氣體比例、功率等)進(jìn)行了不斷優(yōu)化[59-63]，同時(shí)采用濕法刻蝕技術(shù)去除多余反應(yīng)物，從而最大限度地增加側(cè)壁光滑度，減少散射損耗。2020 年，德國(guó)耶拿大學(xué)Setzpfandt 教授課題組通過(guò)采用多步驟反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，制備出具有光滑側(cè)壁的高質(zhì)量鈮酸鋰超構(gòu)表面，在非共振波段該結(jié)構(gòu)的透過(guò)率高達(dá)97%，詳細(xì)的制備流程及SEM 圖如圖2 所示[64]。相比于氟基刻蝕，Ar+等離子體純物理刻蝕可以直接從根源上避免LiF 的形成，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的側(cè)壁光滑度，這也是目前LNOI 最常用的干刻方法之一。該方法可以結(jié)合不同的方式進(jìn)行，例如感應(yīng)耦合等離子體(inductively coupled plasma，ICP)、電子回旋共振(electron-cyclotron resonance，ECR)或離子束刻蝕(ion-beam etching，IBE)系統(tǒng)等。2017 年，哈佛大學(xué)Lon?ar 教授課題組結(jié)合EBL 和氬刻技術(shù)制備出傳輸損耗低至2.7 dB/m 的脊形多模波導(dǎo)，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)具有完美寬度和直線段長(zhǎng)度的跑道型微諧振腔，實(shí)現(xiàn)了Q值大于107的超高質(zhì)量光學(xué)微腔[28]。截至目前，同種方法已被成功應(yīng)用于柱狀超構(gòu)表面的制備(Q值在776.6 nm 達(dá)到129)[65]。然而，純物理刻蝕鈮酸鋰也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，對(duì)于可用的光刻抗蝕劑而言，它的刻蝕選擇性較差，從而導(dǎo)致有限的刻蝕深度和較低的模式限制。其次，Ar+刻蝕鈮酸鋰結(jié)構(gòu)也會(huì)由于二次沉積效應(yīng)造成側(cè)壁粗糙問(wèn)題，但與LiF 二次沉積(以顆粒形式)不同的是，Ar+刻蝕的二次沉積形成的表面較為平滑，不會(huì)引入很高的散射損耗。采用Ar+刻蝕的最顯著缺點(diǎn)是會(huì)形成過(guò)切的波導(dǎo)輪廓(即橫截面呈梯形)，其側(cè)壁傾角通常在40°～80°范圍內(nèi)，這與化學(xué)刻蝕過(guò)程相比并不占優(yōu)勢(shì)，并且會(huì)對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)之間的最小特征尺寸和間距造成限制。通常來(lái)說(shuō)，較低的真空壓力和較高的等離子體功率有助于產(chǎn)生更陡峭的側(cè)壁[66]。此外，在干法刻蝕工藝完成后可使用濕化學(xué)清洗去除二次沉積物和其他污染物，從而進(jìn)一步降低光學(xué)損耗[67-69]。

圖2 (a) 鈮酸鋰超構(gòu)表面SHG 示意圖；(b) 制備工藝流程示意圖；(c) 所制備超構(gòu)表面的SEM 圖像，其中納米諧振腔由截?cái)嘟鹱炙拖旅娴臍堄鄬咏M成[64]Fig.2 (a) A schematic of the SHG from the lithium niobate metasurface;(b) Schematic illustration of the process flow of fabrication;(c) SEM image of the fabricated metasurface in which the nanoresonator consists of a truncated pyramid and a residual layer underneath[64]

除干法刻蝕外，聚焦離子束(focused ion beam，F(xiàn)IB)技術(shù)作為目前最精確的無(wú)掩膜微納結(jié)構(gòu)加工方法之一，允許制造高縱橫比及陡峭側(cè)壁的微納結(jié)構(gòu)，已應(yīng)用于許多復(fù)雜片上光子器件的制備。由FIB 制備的第一個(gè)鈮酸鋰薄膜微諧振腔在2015 年被提出，Q值為2.5×105。在制備過(guò)程中對(duì)飛秒激光燒蝕形成的圓柱連續(xù)進(jìn)行兩次FIB 銑削，以光滑其粗糙外圍，圖3顯示了FIB 銑削前后微諧振腔側(cè)壁的SEM 圖像[70]。隨后，同一組研究人員通過(guò)優(yōu)化銑削電流(1 nA)和退火后的持續(xù)時(shí)間(500 °C～ 4 h)，成功地將Q值提高到2.45×106[71]。除微諧振腔外，F(xiàn)IB 的靈活簡(jiǎn)便性及其高精度加工特性有助于充分發(fā)揮鈮酸鋰超構(gòu)表面的潛力，也是目前制備鈮酸鋰超構(gòu)表面的常用方法。2019 年，南開(kāi)大學(xué)許京軍、任夢(mèng)昕教授課題組采用FIB 銑削技術(shù)，通過(guò)選擇性地轟擊與去除鈮酸鋰分子，在幾百納米厚度的鈮酸鋰薄膜上成功制備了周期納米線陣列，實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異光學(xué)功能的鈮酸鋰超構(gòu)表面[72]。2021 年，意大利米蘭理工大學(xué)Celebrano 教授課題組基于FIB 銑削技術(shù)制備了鈮酸鋰納米柱陣列超構(gòu)表面，側(cè)壁傾角可達(dá)83.6°[73]。其中，在進(jìn)行FIB銑削之前，研究人員創(chuàng)新性地通過(guò)射頻磁控濺射法沉積了一層Cr 膜，從而避免了FIB 加工過(guò)程中的充電效應(yīng)，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)納米結(jié)構(gòu)高度的控制，確保所制備超構(gòu)表面的尺寸均勻性。同時(shí)，Cr 膜作為犧牲層還可以防止Ga+的注入，從而減少鈮酸鋰柱內(nèi)缺陷。盡管FIB 技術(shù)非常適合制造需要高分辨率的結(jié)構(gòu)，但其操作面積通常為百平方微米，無(wú)法滿足大規(guī)模片上光子器件的研制，這也大大限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展。

圖3 (a)飛秒激光燒蝕后柱狀結(jié)構(gòu)的SEM 圖像；(b) FIB 銑削后圓柱的SEM 圖像[70]Fig.3 (a) SEM image of a cylindrical post formed after femtosecond laser ablation;(b) SEM image of the cylindrical post after the FIB milling[70]

作為FIB 銑削的替代方案，化學(xué)機(jī)械拋光(chemical-mechanical polishing，CMP)技術(shù)[74]不僅擺脫了尺寸限制，而且能夠作為后處理過(guò)程，顯著改善片上光學(xué)結(jié)構(gòu)表面和側(cè)壁的粗糙度，降低結(jié)構(gòu)的散射損耗，從而成為在鈮酸鋰薄膜上加工超構(gòu)表面的另一種有力備選方案。2017 年，德國(guó)弗賴堡大學(xué)Buse 教授課題組結(jié)合紫外光刻與RIE 技術(shù)制備了微環(huán)結(jié)構(gòu)，制備過(guò)程如圖4(a)所示。在此基礎(chǔ)上，采用CMP 技術(shù)拋光側(cè)壁，使其側(cè)壁粗糙度降低至4 nm，Q值>3×106。圖4(c)和4(d)顯示了CMP 前后微環(huán)側(cè)壁的放大SEM 圖像[75]。此外，CMP 技術(shù)本身可以作為制造過(guò)程中圖案轉(zhuǎn)移的有效手段，利用CMP 技術(shù)制備片上光學(xué)結(jié)構(gòu)通常包括四個(gè)步驟：1) 在鈮酸鋰薄膜上沉積一層Cr 作為刻蝕掩膜；2) 通過(guò)光刻技術(shù)或者飛秒激光燒蝕將Cr 掩膜圖案化；3) 采用CMP技術(shù)去除未被Cr 掩膜覆蓋的鈮酸鋰；4) 利用濕法刻蝕去除表面Cr 掩膜。在薄膜制備和波導(dǎo)、微諧振腔制造中應(yīng)用CMP 技術(shù)可以緩解由離子注入引起的晶格損傷，將平均表面粗糙度降至亞納米級(jí)別以下[29,76]。2021 年，華東師范大學(xué)程亞教授課題組結(jié)合飛秒激光燒蝕與CMP 技術(shù)，先后成功實(shí)現(xiàn)了Q值高達(dá)108(波長(zhǎng)為1550 nm)的LNOI 微盤、微環(huán)諧振腔，接近了鈮酸鋰的本征材料吸收極限，這也是目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高Q值[77-78]。不可否認(rèn)的是，飛秒激光燒蝕與CMP 技術(shù)的結(jié)合為未來(lái)制備鈮酸鋰片上超低損耗光子系統(tǒng)和器件開(kāi)辟了一條新的道路，但也存在明顯的劣勢(shì)。首先，CMP 技術(shù)的加工特性限制了其加工效率；其次，由于制造過(guò)程中金屬掩模和鈮酸鋰的選擇性有限，導(dǎo)致經(jīng)由 CMP 技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)的縱橫比低于1.5[79]，這為制造間隙小于2 μm 的耦合器件帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，在未來(lái)應(yīng)該付出更多努力來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的縱橫比，這對(duì)于構(gòu)建高密度光子集成電路至關(guān)重要。

圖4 采用紫外光刻結(jié)合RIE 技術(shù)制備微環(huán)腔，然后用CMP 拋光側(cè)壁。(a) 制備工藝流程示意圖；(b) 微環(huán)腔SEM 圖像；CMP 前(c)后(d)微環(huán)腔側(cè)壁的放大SEM 圖像[75]Fig.4 Microring fabricated by UV lithography and RIE,followed by sidewall polishing by the CMP.(a) Schematic illustration of the process flow of fabrication;(b) False-color SEM image of the microring;and enlarged SEM image of the sidewall (c) before and (d) after the CMP[75]

3 鈮酸鋰超構(gòu)表面的應(yīng)用

3.1 非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換

二次諧波產(chǎn)生(Second harmonic generation，SHG)是最常見(jiàn)也是最簡(jiǎn)單的非線性光學(xué)效應(yīng)之一。在利用LNOI 實(shí)現(xiàn)SHG 的探索研究過(guò)程中，III-V 半導(dǎo)體材料GaAs 和AlGaAs 因其較大的二階非線性光學(xué)系數(shù)受到廣泛關(guān)注，成為研究非線性光學(xué)超構(gòu)表面的理想材料[80-82]。然而，這些半導(dǎo)體材料在可見(jiàn)光波段具有很高的光學(xué)吸收，其可見(jiàn)光SHG 轉(zhuǎn)換效率很低。與之相比，鈮酸鋰具有較寬的帶隙和較高的二階非線性光學(xué)系數(shù)，能夠在紫外到中紅外的寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種高效的非線性效應(yīng)[38,83-85]，包括SHG效應(yīng)。

依靠著LNOI 平臺(tái)提供的高折射率差和緊湊型結(jié)構(gòu)，LNOI 微納光子學(xué)結(jié)構(gòu)(例如光波導(dǎo)、回音壁模式微腔、光子晶體諧振腔)的SHG 效應(yīng)是近年來(lái)研究的熱門課題[38-39,86-89]，并取得了顯著成果。周期性極化鈮酸鋰(periodically poled lithium niobate，PPLN)波導(dǎo)的準(zhǔn)相位匹配SHG 歸一化轉(zhuǎn)換效率通常由η=P2/P12L2給出，其中P是功率，L為波導(dǎo)長(zhǎng)度，下標(biāo)1 和2 分別表示基波和二次諧波。迄今為止，研究人員已通過(guò)準(zhǔn)相位匹配在SiNx加載波導(dǎo)和單片鈮酸鋰脊波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了超高的歸一化轉(zhuǎn)換效率。在前一種情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)橫截面限制了基模TE 模式向TM平板模式的泄漏，在PPLN上的5mm長(zhǎng)度SiNx加載波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了1160%/W·cm2的高歸一化轉(zhuǎn)換效率[90]；在后一種情況下，通過(guò)對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)最佳極化，在300 μm 長(zhǎng)的鈮酸鋰脊形波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了4600%/W·cm2的超高歸一化轉(zhuǎn)換效率[91]。與在波導(dǎo)中不同的是，回音壁模式微腔及光子晶體腔的SHG 歸一化轉(zhuǎn)換效率通常由η=P2/P12給出。2019 年，程亞教授課題組提出了一種無(wú)需周期性極化即可在LNOI 微腔中實(shí)現(xiàn)高效倍頻的新機(jī)制，其在LNOI 微盤中實(shí)現(xiàn)的SHG 歸一化轉(zhuǎn)換效率高達(dá)9.9%/mW[83]。同年，美國(guó)史蒂文斯理工學(xué)院Huang教授課題組及耶魯大學(xué)Tang 教授課題組先后制備出具有雙重共振的周期性極化的LNOI 微環(huán)形諧振腔，SHG 歸一化轉(zhuǎn)換效率分別高達(dá)230000%/W 和250000%/W[40-41]。2020 年，Tang 教授課題組利用最大非線性極化率張量d33在LNOI 微環(huán)諧振腔中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5000000%/W 的歸一化轉(zhuǎn)換效率，這也是目前所報(bào)道的基于LNOI 微諧振腔SHG 轉(zhuǎn)換效率的最高值[92]。此外，基于LNOI 光子晶體諧振腔的SHG 也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，但由于基波和諧波無(wú)法同時(shí)處于諧振狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換效率較低(當(dāng)前記錄為0.078%/W[93])。令人欣慰的是，有關(guān)雙共振光子晶體腔的最新進(jìn)展有潛力解決這一問(wèn)題[94]，有望實(shí)現(xiàn)超高效的非線性轉(zhuǎn)換，甚至實(shí)現(xiàn)單光子非線性。

除以上LNOI 微納光子學(xué)結(jié)構(gòu)外，由亞波長(zhǎng)超構(gòu)單元組成的超構(gòu)表面為設(shè)計(jì)納米尺度的非線性響應(yīng)提供了一個(gè)革命性的概念。充當(dāng)光學(xué)諧振腔的超構(gòu)單元能夠?qū)㈦姶拍芰繅嚎s到超越衍射極限的空間內(nèi)，提供很高的局域場(chǎng)增強(qiáng)，極大地提升光與物質(zhì)的相互作用[17,95-96]，從而使二維超構(gòu)表面在提高非線性光頻轉(zhuǎn)換效率方面具有很大潛力，基于LNOI 薄膜的鈮酸鋰超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)也有望為實(shí)現(xiàn)新型高效納米級(jí)SHG 光源提供一種新的思路。

鈮酸鋰超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)在非線性共振光子學(xué)中具有巨大優(yōu)勢(shì)。研究人員首先從理論上指出鈮酸鋰超構(gòu)表面的Mie 共振模式和Fano 共振模式對(duì)SHG 具有增強(qiáng)作用[97-98]，隨后，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Grange 教授課題組通過(guò)化學(xué)合成法制備了具有Mie 共振模式的鈮酸鋰納米立方體結(jié)構(gòu)，并在360 nm 處觀測(cè)到了高效的SHG 增強(qiáng)，該數(shù)據(jù)相比于塊狀鈮酸鋰提高了107倍[99]。然而，由于自下而上的化學(xué)合成方法相對(duì)復(fù)雜，Mie 諧振腔的幾何結(jié)構(gòu)僅限于立方體。為克服這一限制，中山大學(xué)劉進(jìn)教授課題組利用飛秒激光燒蝕技術(shù)制備了單個(gè)納米球，該納米球結(jié)構(gòu)支持Mie 共振模式，并在750 nm 飛秒激光激發(fā)下顯示出紫外(ultraviolet，UV) SHG，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)4.45 × 10-8[100]。Mie 諧振腔作為一種新型的高效全介質(zhì)超構(gòu)單元，在非線性光學(xué)超構(gòu)表面方面具有巨大的潛力。

在對(duì)單個(gè)諧振腔SHG 研究的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，研究人員開(kāi)始致力于對(duì)諧振腔陣列即超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)的研究。2020 年，德國(guó)耶拿大學(xué)Setzpfandt 教授課題組結(jié)合EBL 和IBE 技術(shù)，制備出由鈮酸鋰截?cái)嘟鹱炙嚵袠?gòu)成的共振超構(gòu)表面，該器件在1550 nm 波長(zhǎng)處表現(xiàn)出較強(qiáng)的Mie 共振模式。利用鈮酸鋰較大的對(duì)角二階非線性極化率張量，在垂直于超構(gòu)表面的方向上觀察到增強(qiáng)的SHG。此外，通過(guò)分析非線性極化率張量的不同元素對(duì)總二次諧波信號(hào)的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)d33在其中起主要作用，為有效利用d33需使泵浦光沿晶體光軸方向入射，實(shí)驗(yàn)測(cè)得這種由電貢獻(xiàn)主導(dǎo)的共振模式所產(chǎn)生的最大SHG 轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10-6[64]。2021 年，許京軍教授課題組進(jìn)一步利用FIB 銑削技術(shù)研制了鈮酸鋰納米光柵超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的可調(diào)SHG 特性。圖5(a)給出了非線性鈮酸鋰超構(gòu)表面SHG 的原理圖，并在插圖中展示了所制備的超構(gòu)表面截面的典型掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。通過(guò)調(diào)整幾何參數(shù)從而調(diào)整超構(gòu)表面的共振來(lái)選擇性地提高不同波長(zhǎng)的 SHG 效率，在強(qiáng)度為2.05 GW cm-2的s 偏振光泵浦下，SHG 轉(zhuǎn)換效率約為2 × 10-6，為未加工的薄膜區(qū)域的兩倍，如圖5(b)所示[101]。

圖5 (a) 非線性鈮酸鋰超構(gòu)表面的SHG 示意圖。左下插圖為D=600 nm 的超構(gòu)表面截面的典型SEM 圖像，右下插圖顯示了研究中使用的鈮酸鋰薄膜的測(cè)量二階極化率；(b) 超構(gòu)表面SHG 效率的光譜依賴性[101]Fig.5 (a) A schematic of the SHG from the nonlinear lithium niobate metasurface.Left inset gives a typical SEM image of cross section of the metasurface with D=600 nm.Right inset presents the measured second-order susceptibility of the lithium niobate film used in this study;(b) Spectral dependence of SHG efficiencies from metasurfaces[101]

雖然鈮酸鋰超構(gòu)表面在SHG 增強(qiáng)方面取得如此多的進(jìn)展，但LNOI 薄膜的生產(chǎn)成本相對(duì)過(guò)高。2021 年，意大利米蘭理工大學(xué)Celebrano 教授課題組利用FIB 銑削技術(shù)制備了第一個(gè)基于鈮酸鋰的單片非線性納米柱陣列超構(gòu)表面，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)低至0.5 GW/cm2的泵浦強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)了2.40 × 10-8的SHG 轉(zhuǎn)換效率。與此同時(shí)，該結(jié)構(gòu)允許將 SHG 衍射到第一衍射級(jí)模式，其信號(hào)比零級(jí)強(qiáng) 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生約20 dB 的消光比。此外，在超構(gòu)表面的作用下，所產(chǎn)生的二次諧波被優(yōu)先重定向到沿泵浦偏振方向的衍射級(jí)，因此可以通過(guò)控制泵浦偏振實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射圖案的操縱，從而為偏振編碼非線性光學(xué)開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)[73]。

表1 總結(jié)了三種不同超構(gòu)單元組成的鈮酸鋰超構(gòu)表面SHG 的主要性能參數(shù)。其中PT為截?cái)嘟鹱炙嚵谐瑯?gòu)表面的周期，L為納米諧振腔的邊長(zhǎng)；D為光柵超構(gòu)表面的周期，d和h分別為脊的寬度和高度；PC為納米柱陣列超構(gòu)表面的周期，R為納米柱的半徑。

表1 超構(gòu)表面SHG 主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of metasurface SHG

鈮酸鋰超構(gòu)表面優(yōu)異的光頻轉(zhuǎn)換性能還體現(xiàn)在利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(spontaneous parametric downconversion，SPDC)高效制備光子對(duì)上。近年來(lái)，量子光學(xué)在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，包括超高速和強(qiáng)大的安全量子通信[102-103]、快速準(zhǔn)確的量子計(jì)算[104-105]以及高分辨率計(jì)量、成像和傳感[106-107]等。通過(guò)非經(jīng)典光源產(chǎn)生高質(zhì)量的糾纏單光子對(duì)是上述大多數(shù)應(yīng)用的重要組成部分，并且一直是現(xiàn)代量子光學(xué)技術(shù)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。利用非線性晶體中的SPDC 過(guò)程產(chǎn)生糾纏和相關(guān)單光子對(duì)是目前最通用的技術(shù)之一，對(duì)于開(kāi)展量子光學(xué)研究及研發(fā)高效量子光源具有重要意義。在SPDC 過(guò)程中，擁有較高頻率(ωp)的泵浦光子以一定概率轉(zhuǎn)換成具有較低頻率的下轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)光子對(duì)(信號(hào)光子與空閑光子，頻率分別為ωs和ωi)。然而，作為一個(gè)典型的自發(fā)量子非線性過(guò)程，其效率極低。最近，人們廣泛致力于利用基于非線性晶體、波導(dǎo)、光子晶體和環(huán)形諧振腔的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)這種效應(yīng)[108-109]，但仍存在體積龐大或不適合自由空間應(yīng)用的問(wèn)題。相比之下，基于LNOI 平臺(tái)的理論和實(shí)驗(yàn)均已證明在信號(hào)和空閑光子頻率處具有共振的單個(gè)納米諧振腔能夠有效提高SPDC 的效率[110-111]。在此基礎(chǔ)上，由非線性納米諧振腔陣列組成的超薄超構(gòu)表面有望產(chǎn)生更高的光子對(duì)產(chǎn)生率，實(shí)現(xiàn)緊湊型高效單光子源。2021 年，德國(guó)耶拿大學(xué)Chekhova 教授課題組制備出在信號(hào)和空閑光子頻率處具備基本電磁共振的鈮酸鋰截?cái)嘟鹱炙嚵谐瑯?gòu)表面，利用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行SPDC 過(guò)程的原理如圖6(a)所示。通過(guò)測(cè)量來(lái)自超構(gòu)表面的SPDC 光譜(如圖6(b)所示)發(fā)現(xiàn)，在共振頻率附近的窄帶寬內(nèi)，光子對(duì)生成率相比于未加工的薄膜區(qū)域提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)(130 倍)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還證明，發(fā)射光子對(duì)的光譜寬度可以通過(guò)電共振波長(zhǎng)與SPDC簡(jiǎn)并波長(zhǎng)之間的失諧來(lái)控制[112]。該結(jié)構(gòu)使糾纏光子的平面光學(xué)源成為可能，并有望成為一種新的有前途的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖6 (a) 鈮酸鋰超構(gòu)表面的SPDC：泵浦光從基板側(cè)入射，光子對(duì)在反射中收集。泵浦和SPDC 光子都沿鈮酸鋰光軸z 偏振；(b) 從量子光學(xué)超構(gòu)表面測(cè)量的SPDC 光譜?；疑秋@示來(lái)自未圖案化鈮酸鋰薄膜的SPDC 光譜[112]Fig.6 (a) SPDC from a lithium niobate metasurface: the pump is incident from the substrate side,photon pairs are collected in reflection.Both the pump and the SPDC photons are polarized along the lithium niobate optic axis z;(b) Measured SPDC spectra from quantum optical metasurfaces.Gray stars show the SPDC spectrum from the unpatterned lithium niobate film[112]

3.2 電光調(diào)制

在過(guò)去的幾十年中，超構(gòu)表面在光場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡能力。但目前的超構(gòu)表面在本質(zhì)上大多是靜態(tài)的，其光學(xué)特性在制造過(guò)程結(jié)束后就被固定下來(lái)。對(duì)超構(gòu)表面特性進(jìn)行調(diào)制可以為光場(chǎng)調(diào)控提供新的機(jī)會(huì)，從而促進(jìn)向動(dòng)態(tài)光學(xué)器件的過(guò)渡[2,113-116]。因此，超構(gòu)表面特性的動(dòng)態(tài)調(diào)控一直是研究的熱點(diǎn)，許多不同的動(dòng)態(tài)調(diào)諧機(jī)制也已經(jīng)趨于成熟，例如光泵浦[117]、熱加熱[118]、化學(xué)反應(yīng)[119]和電刺激[120]。在所有這些調(diào)控機(jī)制中，電場(chǎng)調(diào)控技術(shù)因有望將超構(gòu)表面與其它片上光電器件集成而引起了人們的廣泛關(guān)注。

鈮酸鋰晶體具有較寬的透明窗口(0.35 μm～5 μm)，較高的折射率(765 nm 處n0=2.26)以及優(yōu)異的電光系數(shù)(r33=34 pm/V)，在電光調(diào)制研究方面具有廣泛的應(yīng)用[32,121]。迄今為止，LNOI 已經(jīng)成為超緊湊光子器件的一個(gè)有前途的平臺(tái)，包括電光調(diào)制器在內(nèi)的各種高質(zhì)量、高性能的功能性器件被成功演示。得益于LNOI 的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)(鈮酸鋰薄膜和襯底(如SiO2)之間的大折射率對(duì)比度)，光學(xué)模式被緊密限制在納米厚度的鈮酸鋰層內(nèi)，從而進(jìn)一步提高了電光調(diào)制效率。通過(guò)使用不同的LNOI 微結(jié)構(gòu)，如馬赫-曾德?tīng)柛缮娌▽?dǎo)[33]、光子晶體[122]、微環(huán)[36]或微盤[123]等，具有數(shù)十到數(shù)百GHz 調(diào)制速度的各種片上EO 調(diào)制器單元已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。

2020 年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Grange 教授課題組展示了具有高效EO 調(diào)制性能的鈮酸鋰周期陣列的初步設(shè)計(jì)[124]。2021 年許京軍教授課題組首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了鈮酸鋰超構(gòu)表面的EO 調(diào)制特性，其利用納米光柵內(nèi)部連續(xù)譜中的準(zhǔn)束縛態(tài)(quasi-bound states in the continuum,QBIC)共振模式，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)透射光相位的動(dòng)態(tài)調(diào)控，調(diào)制強(qiáng)度相比于未加工的薄膜區(qū)域提升了1.46 倍[125]。同年，Grange 教授課題組通過(guò)ICP-RIE 技術(shù)制備出由線性EO 效應(yīng)調(diào)諧的鈮酸鋰納米柱陣列超構(gòu)表面。該超構(gòu)表面由兩側(cè)的金電極驅(qū)動(dòng)，其示意圖和SEM 圖像如圖7(a)所示。圖7(b)展示了驅(qū)動(dòng)電壓為2 VPP時(shí)不同波長(zhǎng)下的透射譜及調(diào)制增強(qiáng)因子，結(jié)果表明EO 調(diào)制幅度與波長(zhǎng)有關(guān)，同時(shí)在超構(gòu)表面的光共振處觀察到透射光的調(diào)制強(qiáng)度增強(qiáng)了80 倍，與未加工的薄膜區(qū)域相比增強(qiáng)了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這也是迄今為止最快和最強(qiáng)的EO 調(diào)制超構(gòu)表面[65]。這一概念證明工作向使用鈮酸鋰超構(gòu)表面進(jìn)行自由空間調(diào)制邁出了重要的第一步。

圖7 (a) 由金電極驅(qū)動(dòng)的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)。左下插圖為超構(gòu)表面柱結(jié)構(gòu)的SEM 圖像，右下插圖顯示了電極(黃色)之間幾個(gè)超構(gòu)表面(紫色)的偽色SEM；(b) 半徑為 135 nm、周期為 500 nm 的超構(gòu)表面的透射率(藍(lán)色線)，橙色線表示 2 VPP 和180 kHz 的交流電壓下的調(diào)制增強(qiáng)(定義為超構(gòu)表面的調(diào)制幅度除以未圖案化區(qū)域的調(diào)制幅度)[65]Fig.7 (a) Metasurface driven by Au electrodes.The lower left inset shows the SEM image of the metasurface pillar structure.The lower right inset shows a false-color SEM of several metasurfaces (purple) between the electrodes (yellow);(b) Measured transmission (blue) of a metasurface with radius 135 nm and period 500 nm,normalized by the transmission of an unstructured area.The orange line shows the modulation enhancement,defined as the modulation amplitude of the metasurface divided by the modulation amplitude of an unpatterned area,for an AC voltage of 2 Vpp and 180 kHz[65]

3.3 光無(wú)源功能

在LNOI 片上光學(xué)器件中，非線性相位匹配條件通常是通過(guò)雙折射或鐵電疇的周期性反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[126-127]。然而，這兩者都需要額外的色散調(diào)控，并且通常是窄帶的[39,128]。例如SHG 的轉(zhuǎn)換帶寬通常在10 nm 以內(nèi)，而SPDC 的帶寬雖然可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的波導(dǎo)長(zhǎng)度達(dá)到100 nm 以上，但在實(shí)際應(yīng)用方面仍然有很大的局限性。針對(duì)這一局限性，在LNOI 集成光子學(xué)中引入由周期性分布的納米天線組成的光學(xué)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，可以規(guī)避相位匹配要求。其基本方案是在片內(nèi)波導(dǎo)的頂部表面繪制一個(gè)梯度超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，如圖8(a)所示。通過(guò)合理設(shè)計(jì)天線陣列和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以任意控制波導(dǎo)內(nèi)的光傳播，從而實(shí)現(xiàn)非完美的相位匹配條件。這種方案支持TE 和TM 偏振的光學(xué)元件，在非線性光學(xué)研究中具有顯著優(yōu)勢(shì)。圖8(b)顯示了基于超構(gòu)表面的非線性集成光子器件的工作原理，在被超構(gòu)表面圖案化的波導(dǎo)區(qū)域中，光功率首先從泵浦頻率下的基模TE00(ω)耦合到SH 頻率下的基模TE00(2ω)，然后在梯度超構(gòu)表面的幫助下耦合到SH頻率下的高階波導(dǎo)模式TEmn(2ω)和TMmn(2ω)。梯度超構(gòu)表面提供的單向波矢量使得從TEmn(2ω)和TMmn(2ω)模式返回到模式TE00(2ω)或TE00(ω)模式的光功率耦合效率非常低，這種單向的光功率傳輸確保了SHG 功率作為傳播距離的函數(shù)的有效積累，即所謂的無(wú)相位匹配(phase-matching-free)非線性產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)換效率對(duì)泵浦頻率和器件幾何形狀的變化都不敏感。基于該方案，2017 年，哈佛大學(xué)Loncar 教授課題組在納米光子LNOI 波導(dǎo)上構(gòu)圖了a-Si 納米棒天線的相控陣列，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)在廣泛的泵浦波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出高效的SHG，歸一化轉(zhuǎn)換效率為1660%/W·cm2[88]。2020 年，南京大學(xué)李濤教授課題組基于LNOI 片上波導(dǎo)頂部圖案化的光柵超構(gòu)表面，演示了SHG 以及生成的SH 波的面內(nèi)操縱。此外，為了操縱波導(dǎo)內(nèi)SH 信號(hào)的波前，在光柵超構(gòu)表面中引入了全息設(shè)計(jì)。因此，非線性光束整形的強(qiáng)大功能得以展示，包括雙聚焦和Airy 光束生成，從而為靈活的片上多通道路由提供了機(jī)會(huì)[129]。相比于LNOI 片上鈮酸鋰作為超構(gòu)單元的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，這種超構(gòu)表面與鈮酸鋰波導(dǎo)的耦合體系能夠在頻率轉(zhuǎn)換的同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的倍頻光導(dǎo)模實(shí)現(xiàn)靈活的波前調(diào)控，從而將空間光到導(dǎo)模的耦合、基波光到倍頻光的頻率轉(zhuǎn)換以及諧波輸出波前操控三個(gè)過(guò)程合為一，實(shí)現(xiàn)了高度集成的非線性光束調(diào)控功能。在此基礎(chǔ)上，2021 年該課題組在LNOI 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)集成的幾何超構(gòu)表面，用作導(dǎo)波和自由空間輻射光之間的接口。通過(guò)在LNOI波導(dǎo)的頂面上排布不同旋轉(zhuǎn)角度的亞波長(zhǎng)天線圖案，可以將導(dǎo)波操縱成空間中所需要的波前，從而實(shí)現(xiàn)聚焦、多通道渦旋波束生成和全息成像等多種復(fù)雜的自由空間光操縱功能[130]。

圖8 (a) 集成梯度超構(gòu)表面的LiNbO3 片上脊波導(dǎo)，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)相位匹配的二次諧波產(chǎn)生;(b) 基于超構(gòu)表面無(wú)相位匹配的二次諧波產(chǎn)生原理圖[88]Fig.8 (a) Schematic of the LiNbO3 on-chip ridge waveguide integrated with a well-designed gradient metasurface for achieving phasematching-free second harmonic generation;(b) Conceptual diagram of the metasurface-based phase-matching-free second harmonic generation[88]

除波前調(diào)控外，鈮酸鋰超構(gòu)表面在光無(wú)源方面的應(yīng)用還體現(xiàn)在靈活分束和高靈敏傳感上。2018 年，許京軍教授課題組報(bào)道了一種基于梯度超構(gòu)表面的可見(jiàn)光和近紅外光分束器。該超構(gòu)表面由兩排圓柱體組成，它們顯示出相反方向的相位梯度，從而將傳輸?shù)墓馐凵涞絻蓚€(gè)方向。此外，該分束器的分流比可以通過(guò)有選擇性地調(diào)整某排鈮酸鋰圓柱體的損耗水平來(lái)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)[131]。基于此，納米級(jí)尺寸分束器可廣泛應(yīng)用于制造小型光子器件，如微型干涉儀、集成光學(xué)電路的多路復(fù)用器等。隨后，該課題組在負(fù)載SiO2的鈮酸鋰波導(dǎo)上設(shè)計(jì)了微棒陣列超構(gòu)表面的復(fù)合結(jié)構(gòu)，展示了其作為太赫茲傳感通用設(shè)計(jì)的潛力。片上局域表面等離子體的近場(chǎng)耦合可以使表面波模式的約束更強(qiáng)，沿波導(dǎo)的相互作用長(zhǎng)度更長(zhǎng)，這將有效地增加分子吸收，從而能夠檢測(cè)到薄乳糖層。當(dāng)固有特征頻率為0.529 THz 且乳糖層較薄時(shí)，透射光譜的選擇性顯著，與正常通過(guò)相同厚度的乳糖層透射太赫茲波時(shí)相比透射光譜強(qiáng)度增強(qiáng)了20 倍。實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果均表明，該結(jié)構(gòu)可以作為一種高靈敏度片上太赫茲傳感器，用于微量物質(zhì)的檢測(cè)[132]。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了LNOI 薄膜片上光子學(xué)器件-鈮酸鋰超構(gòu)表面的最新研究進(jìn)展，包括有潛力的制備方案以及鈮酸鋰超構(gòu)表面在光頻轉(zhuǎn)換、電光調(diào)制、光無(wú)源等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。隨著近年來(lái)晶圓級(jí)、高質(zhì)量的LNOI 薄膜制造技術(shù)的突破，基于LNOI 薄膜的微納光學(xué)和集成光子學(xué)正處于快速發(fā)展階段。各種高性能鈮酸鋰光子學(xué)器件的應(yīng)用已經(jīng)不僅限于線性和非線性光學(xué)，甚至已經(jīng)擴(kuò)展到量子光學(xué)、腔電光學(xué)和壓電光機(jī)械等新興領(lǐng)域。眾多研究結(jié)果證明，鈮酸鋰超構(gòu)表面有利于制造具有高靈活性的超緊湊光子器件，同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)功能。在非線性光學(xué)領(lǐng)域，鈮酸鋰超構(gòu)表面的應(yīng)用不僅限于諧波與光子對(duì)產(chǎn)生，也有望應(yīng)用于其它非線性過(guò)程，如四波混頻、和頻產(chǎn)生、參數(shù)下轉(zhuǎn)換等，在生物傳感、量子光通信等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。在電光調(diào)制領(lǐng)域，未來(lái)更多的工作應(yīng)致力于將器件調(diào)制范圍擴(kuò)展到 GHz 范圍內(nèi)，以及通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到更好的電場(chǎng)和光場(chǎng)重疊或更高的Q 因子共振，實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制幅度的更強(qiáng)增強(qiáng)，從而為空間光調(diào)制器在波前調(diào)控、脈沖整形、偏振控制等領(lǐng)域的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，超構(gòu)表面與鈮酸鋰波導(dǎo)的耦合體系也有望實(shí)現(xiàn)高效耦合器、分束器、傳感器等多種光無(wú)源功能器件?？傊?，基于超構(gòu)表面對(duì)光的靈活操縱特性及鈮酸鋰獨(dú)特的材料性質(zhì)，鈮酸鋰超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)在未來(lái)具有巨大的應(yīng)用潛力。