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鈮酸鋰（LN）于70年前首次合成，已廣泛應用于從通信到量子光學等多種應用領域。這些商業應用為建立一個成熟的高質量LN晶體和晶圓的制造和加工業提供了經濟手段。由于LN能夠產生和操縱從微波到紫外線頻率的廣譜電磁波，商業產品已經取得了突破性的進展。

在此，澳大利亞皇家墨爾本理工大學Andreas Boes教授和北京大學常林研究員等人在展望LN的未來前景之前，作者對LN作為一種光學材料的歷史、其不同的光子平臺、工程概念、光譜覆蓋和必要的應用進行了高水平的回顧。相關論文以“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”為題發表在Science。

眾所周知，電磁（EM）波以深遠的方式影響著現代社會，其廣泛用于信息傳輸，廣播電視、移動電信以及通過Wi-Fi實現數據訪問。在基礎物理學中，電磁波是探測從宇宙尺度到原子尺度的物體的寶貴工具。例如，激光干涉儀引力波天文臺和原子鐘是世界上最精確的人造儀器之一，依靠電磁波達到前所未有的精度。

近數十年來，主要集中在寬頻譜范圍內開發相干電磁源，并取得了令人印象深刻的結果：電子振蕩器可以很容易地產生數十千兆赫茲（無線電和微波系統）范圍內的頻率。諧振隧道二極管能夠產生毫米（mm）和太赫茲（THz）波，其范圍從數十千兆赫茲到幾太赫茲。在更高的頻率下，通常定義為光學頻率，固態和氣體激光器可以產生相干波。然而，這些方法通常受到窄光譜帶寬的影響，它們通常依賴于特定材料的能態，從而導致光譜覆蓋范圍相當有限。

為了克服這一限制，之前的研究已經開發了非線性混頻策略。這些方法將復雜性從電磁源轉移到基于非共振的材料效果。特別是在光學狀態下，存在大量支持適合混頻效果的材料。在過去的二十年中，控制這些材料形成導向結構（波導）的想法提高了效率，小型化以及生產規模和成本，并已廣泛用于各種應用。

圖1. 鈮酸鋰的光譜覆蓋范圍

鈮酸鋰是一種于1949年首次生長的晶體，由于其有利的材料特性，是一種特別有吸引力的光子材料，用于頻率混合。幾十年來，塊狀鈮酸鋰晶體和弱約束波導一直用于訪問電磁頻譜的不同部分，從千兆赫茲到太赫茲頻率。

現在，由于薄膜鈮酸鋰（TFLN）的商業可用性，這種材料重新引起了人們的興趣。這種集成的光子材料平臺可實現嚴格的模式限制，從而使混頻效率提高幾個數量級，同時通過使用色散工程等方法為光學特性工程提供額外的自由度。重要的是，TFLN的大折射率對比度首次實現了基于鈮酸鋰的光子集成電路。

鈮酸鋰光子學在電磁波生成中的寬光譜覆蓋范圍、超低功耗要求和靈活性，為探索新的器件功能提供了大型工具集。此外，在代工廠采用鈮酸鋰集成光子學是一種有前途的方法，可以使用晶圓級生產使基本臺式光學系統小型化。活性材料與鈮酸鋰的異質集成有可能創建具有豐富功能的集成光子電路。

因此，受益于這些進步，高速通信、可擴展量子計算、人工智能和神經形態計算以及用于衛星和精密傳感會為商業探索提供大量機會。此外，鈮酸鋰中的塊狀晶體和弱約束波導有望在不久的將來繼續發揮關鍵作用，它們在高功率和損耗敏感的量子光學應用中具有優勢。因此，鈮酸鋰光子學在解鎖EM光譜和重塑未來社會信息技術方面具有巨大的希望。

圖2. LN作為光子材料的時間線

圖3. 用于產生和控制電磁波的LN材料特性

圖4. LN技術中使用的工程概念，且在寬光譜范圍有效耦合

圖5. LN光譜覆蓋

Andreas Boes*?, Lin Chang*?, Carsten Langrock?, Mengjie Yu, Mian Zhang, Qiang Lin, Marko Loncˇar, Martin Fejer, John Bowers Arnan Mitche, Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj4396

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