首篇Science！北京大学新年最新研究成果快报！

点击关注，化学科讯！

铌酸锂(LN)于70年前首次合成，已广泛应用于从通信到量子光学的各种应用领域。这些大量的商业应用为建立成熟的高质量LN晶体和晶圆制造和加工行业提供了经济手段。由于LN能够在从微波到紫外频率的广谱范围内生成和操作电磁波，已经实现了对商业产品的突破性科学演示。

鉴于此，北京大学常林研究员课题组和澳大利亚皇家墨尔本理工大学Andreas Boes教授课题组合作在Science上，发表了题为“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”相关论文。

图文解读

LN是一种铁电晶体，1949年首次以多晶形式合成。从这一发现开始，人们花了15年的时间，才进一步研究确定了这种材料的特征电光和二阶非线性光学特性。在几十年来，共出现了三种LN光子平台，分别为块状晶体、弱约束波导和紧密约束波导。其演变可以在图1中看到

图1. LN作为光子材料的时间轴

大块LN晶体由于其与自由空间光学装置的兼容性、处理高光功率的能力、易于制造和低成本而被广泛应用于产生和操纵EM波。这种晶体通常是毫米到厘米尺度的LN块，具有光学级抛光面(见图1右侧)。

紧密约束LN波导是较新的LN薄膜结构，其模式体积更小，达到亚波长范围，具有高约束性和高非线性，适合制造和集成倍频器、电光调制器、光频梳等元件，可用于要求大规模生产、低成本、低功耗的应用场景。

图2. 用于产生和操纵电磁波的LN材料特性

研究表明，铁电畴工程也可以通过使用聚焦到晶体中的飞秒激光脉冲在三维中实现。这一演示为以前不可行的新型波混合器件(如三维非线性光子晶体)提供了机会。体晶体在光学腔结构中特别有吸引力，如参数振荡器 (见图2)，以增强非线性相互作用。它们也适用于高功率应用，用于激光腔内(q开关，腔内SHG)，或在使用超短，高峰功率激光脉冲时使用。

图3. LN技术中使用的工程概念可实现宽光谱范围的高效耦合

以材料厚度和波导尺寸作为自由度来设计模式色散，色散主要取决于随着波长的变化波导芯层和包层的场分布变化。

准相位匹配，通过在相位失配达到180°时周期性地反转晶体的晶轴方向或周期性修改波导尺寸，以补偿不同频率波的相位速度差异。

图4. LN光谱覆盖率

LN的材料特性使之能产生和处理从紫外线频段到微波频段的电磁频率，范围涵盖了近五个数量级。在可见和紫外光频段，材料损耗非常低，产生方法是利用非线性效应，应用场景有视觉应用和原子跃迁探测；在近红外频段，由于低传输损耗有广泛的应用，例如光通信、微波光子学、量子光学和光探测等，产生近红外频率电磁波的方法也很多样，例如拉曼激光、DFG、基于克尔效应的超连续谱产生、电光梳等；在中红外频段，可以用于空气质量监测等场景，这一频段的光可以通过超连续谱产生和克尔效应得到；太赫兹频段可以穿透纸张、塑料和织物，因此被用于传感和安全成像，窄带、高强度的太赫兹电磁波可以通过LN晶体中的光学整流生成；微波频率被用于5G和6G通信、雷达和射电天文学等领域，这一频段可以利用LN的声光、电光效应，将微波频率转换到光载波上。

LN波导平台将在复杂性和光谱宽度两个方面加速发展，从毫米级的单个元件过渡到微米级的集成芯片，从主要在近红外频率下工作过渡到根据需要产生和控制可见光到微波频率的各种电磁波。

结论与展望

文章对LN上光子学的发展进行了展望。LN波导平台将在复杂性和光谱宽度两个方面加速发展，从长远来看，基于大规模加工工艺、多种材料异质集成和电子电路共同封装，薄膜LN平台将有望实现大规模光学网络，从根本上产生应用创新，例如光量子计算芯片、全集成激光雷达和光神经网络等。

参考资料

Boes et al., Science 379, 40 (2023)

https://doi.org/10.1126/science.abj4396

后台回复“BJDX”领取全文资料

更多资料领取后台回复“ChemDraw ”领取破解版安装包回复“MestReNova”领取破解版安装包
回复“EndNote X9.1 ”领取破解版安装包

回复“有机化学”领取经典化学书籍

回复“科研礼包”领取更多丰富所需资料

回复“资料全集”领取一下5款破解版资料

有偿征稿





本平台长期征稿，投稿请发至邮箱：[e-mail]，目前仅接受原创首发类相关稿件或顶级化学外刊文献的前沿解读。来稿邮件标题：【微信投稿】+文章标题+作者、稿件请以附件方式发送，我们将从中挑选并发表在“化学科讯”微信公号。一经发表，稿酬丰厚，欢迎赐稿，期待佳作。

NO.1往期推荐Historical articles
太惨了！被踢出SCI，陆续撤回中国学者91篇文章，涉及众多名校，原因竟然是....

END

 官方建群啦！

化学科讯组建了合成生物学、高校产学研、有机合成、医药产业、材料高分子、分析检测、硕士、博士等多个相关领域的实名制微信交流群，扫描下方二维码即可入群！

点击“阅读原文”

立即加入微信交流