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光子集成芯片中使用的鈮酸鋰晶體

  鈮酸鋰晶體集各種光電性能于一體且可以達到產品化性能要求,在光電材料中極其罕見。隨著鈮酸鋰晶體集成光子學芯片理論、制備與應用等核心技術發展與完善,鈮酸鋰晶體變成光子時代的“光學硅”材料,為集成光子學的發展提供戰略性基礎支撐。

  光子早就在高容量通信、光存儲、信息的傳遞、信息處理、探測等行業得到了普遍使用,與電子學從分立元件到集成電路的發展一樣,光子學器件的微微型化、集成化、低功耗、模塊化、智能化和高可靠性等要求越來越高,集成光子學芯片勢必會替代分立光學元件。早期集成光子學芯片的發展主要是光通信需求的牽引,圍繞硅基光子學和磷化銦基集成開展研究。

  硅基光子學集成芯片因為巨大的成熟半導體材料和生產工藝體系而發展迅速,但硅基激光器制備技術始終是其中的短板,現階段依賴與磷化銦混合集成;部分磷化銦集成光子芯片已經獲得商業化應用,性能也比硅基光子學集成芯片更加出色,但缺乏像硅一樣的通用工藝平臺,工藝技術復雜,價格比較貴。

  由光通信需求牽引的鈮酸鋰基集成光子學研究,重點圍繞馬赫-曾德干涉光強調制器、相位調制器及其集成光開關等多個方面開展。

  除光通信領域對集成光子學的需求外,基于光子學的光量子信息處理、光計算、生物傳感、成像探測、信號處理、存儲、三維顯示等將來需求更加龐大,與硅或磷化銦等混合集成的方案難以適用。

  從單項技術發展看來,絕大多數的光子學元件都已經基于鈮酸鋰晶體實現,包括:

  通過稀土摻雜實現的鎖模激光器、調Q激光和光放大等;

  鈦擴散和質子交換實現的光波導以及集成光開關、光交叉、光耦合及其單光子探測等;

  運用電光效應實現的強度、相位和偏振的調制、波前探測和光脈沖選擇等;

  利用非線性光學效應實現的光頻率變換、量子糾纏態光子產生;

  利用光折變效應實現的光柵、全息存儲、相位共軛器、空間光調制器等;

  鈮酸鋰光子晶體、鈮酸鋰光學微腔發展起來的全光邏輯門、半加器、頻率梳等新型器件;

  通過壓電效應、熱釋電效應、光彈效應等實現對力、熱、光等信號之間的互相轉換與傳感。

  在目前發展比較成熟的光電材料體系里,基于同一個基質材料發展如此多的基本光學元件、光子學器件和光電器件是罕見的,這也使得大眾對鈮酸鋰晶體未來在集成光子學芯片發展中發揮更重要作用充滿了期待。

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