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Science评述：「铌酸锂」，如何用于量子光学？
光子盒研究院出品
导言：铌酸锂的光电和非线性光学特性使其成为光学和通信技术应用的主要材料。铌酸锂能够跨越从无线电到光学波长的整个光谱范围，说明了铌酸锂作为集成光子学平台材料的通用性。
电磁(EM)波以深刻的方式支撑着现代社会。它们被用来携带信息，使广播和电视、移动通信以及通过Wi-Fi无处不在的数据网络接入成为可能，并通过光纤形成我们现代宽带互联网的骨干。
在基础物理学中，电磁波作为一种宝贵的工具来探测从宇宙到原子尺度的物体。例如，激光干涉仪引力波天文台和原子钟是世界上最精确的人造仪器，它们依靠电磁波达到前所未有的精度。
这促使我们进行了几十年的研究，在广泛的光谱范围内开发相干的电磁源，并取得了令人印象深刻的结果：几十千兆赫的频率（无线电和微波系统）可以很容易地由电子振荡器产生。共振隧道二极管能够产生毫米（mm）和太赫兹（THz）波，其范围从几十千兆赫到几个太赫兹。在更高的频率下，最高达千万赫兹级别，通常被定义为光学频率，相干波可以由固态和气体激光器产生。然而，这些方法经常受到狭窄的光谱带宽的影响，因为它们通常依赖于特定材料的明确定义的能量状态，这导致了相当有限的光谱覆盖。
为了克服这一限制，非线性频率混合策略已经被开发出来。铌酸锂，一种在1949年首次生长的晶体，由于其有利的材料特性，是一种特别有吸引力的频率混合光子材料。几十年来，块状铌酸锂晶体和弱约束波导已被用于访问电磁波谱的不同部分，从千兆赫兹到千万赫兹的频率。现在，由于薄膜铌酸锂(TFLN)的商业供应，这种材料正经历着新的兴趣。这种集成的光子材料平台能够实现紧密的模式约束，从而使频率混合效率提高几个数量级，同时通过使用色散工程等方法为光学特性工程提供额外的自由度。重要的是，TFLN的大折射率对比度首次使得基于铌酸锂的光子集成电路能够在晶圆上实现。
其中，弱约束LN波导在高强度下的小模式体积中保持着厘米级距离的相互作用场。当作为低损耗、高速电光调制器使用时，这种波导是长距离通信系统的一个关键组成部分。这一平台已被探索用于低损耗量子光学应用，例如，用于单光子检测的近可见波长的上转换和通过自发参数下转换和控制生成的光子的片上纠缠光子对。
与其他材料相比，LN不一定表现出最强的材料效应。然而，LN以其成熟性、稳定性、商业可用性、宽广的透明度范围以及在宽广的光谱范围内的电磁频率之间的耦合方面的可工程性而脱颖而出，使其生成更有效和可定制。
例如，电场极化和QPM工程性在大多数其他光学材料平台中都不可用，这是LN在非线性光学应用中广泛采用的主要原因之一。
铌酸锂光子学在电磁波产生方面的广泛光谱覆盖、超低功率要求和灵活性，为探索新的器件功能提供了大量的工具集。此外，在晶圆厂采用铌酸锂集成光子学是一种很有前途的方法，可以利用晶圆规模生产使基本的台式光学系统小型化。
高速通信、可扩展的量子计算、人工智能和神经形态计算以及用于卫星和精密传感的紧凑型光学时钟等应用预计将特别受益于这些进展，并为商业探索提供丰富的机会。另外，铌酸锂的体晶和弱约束波导由于在高功率和损耗敏感的量子光学应用中的优势，预计将在不久的将来继续发挥关键作用。因此，铌酸锂光子学在解锁电磁波谱和重塑未来社会的信息技术方面有着巨大的前景。
LN的材料特性和工程性相结合，提供了在近五个数量级范围内产生EM频率的方法，范围从紫外线到微波。下图说明了使用LN作为线性和非线性频率混合平台进行实验生成和操作的频率宽度。
1）可见光和紫外光谱
由于LN的3.93eV宽带隙（~950THz），可见光和紫外光（400至900THz）在LN中经历非常低的材料损耗。该光谱范围内的光对于诸如虚拟现实和用于光学时钟或磁场传感器的探测原子跃迁以及用于生物成像的分子和细胞的应用是需要的。
2）近红外频率
近红外频率（150至400THz）特别令人感兴趣，因为它们足够低，散射最小，但足够高，使得可以在特定窗口中避免分子吸收，这使得能够通过光纤和光子集成电路(PIC)进行低损耗传输。
这使得它们对于诸如光通信、微波光子学和量子光学之类的应用，以及在可见光谱之外操作的自由空间应用，例如光探测和测距（LiDAR）和深空通信特别有吸引力。
压缩光源在近红外光谱范围内也被证明是使用简并参数下变频(degenerate parametric down conversion)进行量子传感和计算的基本组成部分。
3）中红外频率
当声子吸收开始发生时，中红外频率（10至150 THz）在~55 THz以上的频率下的LN损失较低。中红外频率是有吸引力的，因为它们可以用来激发分子的振动状态，因此是光谱传感器在城市空气质量监测或化工厂过程监测和管道排放等应用中的有用来源。
4）太赫兹频率
太赫兹辐射（0.3至10THz）可以穿透纸张、塑料和织物，因此对机场等防区外传感和安全成像很有吸引力。LN晶体对于通过光学整流产生窄带、高强度太赫兹频率具有吸引力。
5）微波频率
微波频率（0.3至300 GHz）用于5G和6G通信、雷达和射电天文学等应用。
然而，在大多数RF光子学应用中，LN用于将微波频率转换到光学载波上，然后可以在光学域中传输和操纵该光学载波，并随后使用具有适当带宽的光电探测器生成微波频率。从微波到光学频率转换的主要机制依赖于LN中的电光和声光效应。
这些电光调制器的带宽可以达到100GHz以上，甚至接近太赫兹水平；声光器件也已在体晶体、弱约束波导和强约束TFLN波导中得到证明，其相互作用频率通常在MHz到GHz水平之间。最近，他们实现了超导量子比特的量子转导，这归因于在TFLN中制造的纳米光子谐振器中的小声模体积。
在所有三种模式（块状LN晶体、弱约束和强约束LN波导）中，LN被广泛用于非线性光学、声学和电光过程，以产生和操纵宽光谱范围内的EM频率。未来，块状LN晶体组件对于整个频谱的EM频率生成仍然很重要，特别是对于需要高光功率的应用。
1）近期（未来5年）
在近期，块状晶体和弱约束波导将仍然是产生EM频率的重要平台，特别是在近红外和可见光频率区域，因为它们提供了成熟的制造和封装工艺。
这种市售产品的高功率处理能力和低接口损耗使其在系统演示中作为单独的设备特别有吸引力，例如，作为光学时钟的自参考系统的一部分，其中LN组件可以连接到其他复杂的光子基础设施。此外，弱约束波导的低损耗接口对于量子光学应用是重要的，例如，对于通过自发参数下转换生成光子对，以及对于量子节点和长途光纤网络之间的频率转换，以及异构内部节点转换。
尽管LN是一种研究得很好的材料，但还需要更多的工作来研究光诱导吸收变化（光致变色效应）的优化，特别是在短波长下的操作。
我们(Science)预计，在未来5年内，将在这一领域进行大量投资，这将为大规模采用严格限制的LN波导电路作为商业设备奠定基础。
同时，预计TFLN在高效混频应用的器件级开发方面会取得快速进展，例如使用集成PPLN波导或微腔的小型OPO和光学相控阵(OPA)，在这些应用中，早期的商业应用是可行的。沿着集成OPO和OPA的这条轨道，可以实现用于连续可变量子计算的压缩态生成、量子随机数生成和在强非线性状态下操作的二次耗散孤子形成。
2）中期（5至10年）
在中期（5至10年），我们(Science)预计块体晶体和弱约束波导将继续用作低体积、价格敏感的可见光到中红外频率应用的单个组件。6G或太赫兹传感等新兴应用将受益于这些设备的高功率处理能力，以实现高效的微波和太赫兹产生。然而，THz光谱区域处相对较高的材料损耗可能对器件性能不利，并且需要在LN空气界面附近产生THz辐射。
中期需要克服的挑战之一是纳米光子组件的再现性。例如，由几乎相同的简并OPO组成的网络对于波长捷变信息处理具有很高的价值。
随着纳米光子组件制造工艺和再现性的改进，我们(Science)预计数据通信应用将推动光子和电子电路的共同封装以及近红外光源和探测器活性材料的异质集成，从而将已经为硅光子电路开发的制造工艺转移到TFLN平台。重要的是，这些应用可以通过使用成熟的近红外组件来实现广泛采用基于光子的宽带RF系统的梦想，从而降低成本。
其他中期应用可能涉及基于电子或声光设备的动态波束形成，这对激光雷达、增强和虚拟现实显示器以及捕获离子量子计算系统至关重要。
3）长期（10年及以后）
从长远来看（10年及以后），TFLN将基于大规模（直径超过200毫米的晶圆）铸造工艺，采用不同的异质集成材料和共封装电子电路。这样的平台将是扩大光学网络方案的绝佳选择，在这些方案中，经典或量子光源或处理单元的大型阵列通常以可编程的方式耦合。这将实现从根本上创新的应用，如完全集成的激光雷达和ONN、量子计算、完全集成的频率合成器、大规模射频信号处理网络和先进的传感器。
量子工程中的一个重大挑战是实现极端的光学非线性（理想情况下为单光子水平），这需要改进材料加工和纳米工程。我们确实看到了在未来量子PICs中使用LN逐渐改善光学非线性的好处。这将有利于量子光子系统，其中需要具有快速反馈光学开关的空间复用自发参数下转换源来实现接近确定性的单光子源，或需要高质量压缩态的大规模连续变量计算。
关于量子通信网络和全光信号处理，我们(Science)设想必须使用频谱-时间整形(spectrotemporal shaping)和量子转导技术来克服量子发射器的不均匀性，或弥合异质量子系统之间的光谱差异。此外，LN基于电光效应的低损耗快速调制能力在几乎所有量子系统中都是必不可少的，以提高处理速度并减少系统损耗。
幸运的是，LN是一种全方位的高性能光学材料，能够在覆盖近五个数量级的光谱范围内按需产生和操纵EM频率，具有可靠的历史，并且基于其纳米光子平台的近长期应用组合越来越多样化。
总之，LN在克服所有挑战方面处于有利地位，成为解锁EM光谱的首选材料平台，并在未来几年继续彻底改变光学科学。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4396
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