铌酸锂晶体

关于铌酸锂晶体:

铌酸锂晶体简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构。相对密度4.30，晶格常数a=0.5147 nm，c=1.3856 nm，熔点1240℃，莫氏硬度5，折射率n0=2.297，ne=2.208(λ=600 nm)，介电常数ε=44，ε=29．5，ε=84，ε=30，一次电光系数γ13=γ23=10×10pm/V，γ33=32×10pm/V．Γ22=-γ12=-γ61=6.8×10pm/V，非线性系数d31=-6.3×1p0 m/V，d22=+3.6×10pm/V，d33=-47×10pm/V。铌酸锂是一种铁电晶体，是目前发现的居里温度最高（1210 ℃）的铁电体，自发极化强度50×10C/cm'，热导率0.056(W/cm·K)。经过畸化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，同时具有光折变效应。

铌酸锂晶体有两个特点尤为引人关注，一是铌酸锂晶体光电效应多，具有包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能；二是铌酸锂晶体的性能可调控性强，这是由铌酸锂晶体的晶格结构和丰富的缺陷结构所造成，铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进行大幅度调控。

另外铌酸锂晶体的物理化学性能相当稳定，易于加工，光透过范围宽，具有较大的双折射，而且容易制备高质量的光波导，所以基于铌酸锂晶体的光调制器在长距离通信中有着无可比拟的优势——不仅具有很小的啁啾(chirp)效应、高调制带宽、良好消光比，而且稳定性相当优越，是高速器件中佼佼者，因此被广泛应用于高速高带宽的长距离通信中。

铌酸锂晶体的生产方法：

同成分铌酸锂晶体：

对于同成分铌酸锂晶体而言，其制备主要采用提拉法。虽然泡生法、导模法、温梯法等方法也曾用来进行铌酸锂晶体的制备，但是与提拉法相比并没有明显的优势或具有明确的应用需求，因此并未得到广泛的关注。

近化学计量比铌酸锂晶体：

近化学计量比铌酸锂晶体虽然具备诸多优秀的光电性能，但是其配比偏离固液同成分共熔点，无法采用常规的提拉法生长高质量的晶体，目前主要采用的制备方法有富锂熔体法、助熔剂法、扩散法。

铌酸锂单晶薄膜：

铌酸锂单晶薄膜可以应用在光波导、声学器件等微纳结构以及制备硅基等混合集成器件等方面，人们很早就开始探索铌酸锂单晶薄膜的制备，不过真正得到应用的方法只有“离子切片” (IonSlicing) 技术，目前已经实现了商品化，能够提供厚度为 300~900 nm的单晶薄膜产品。

铌酸锂晶体的主要应用：

压电应用：

铌酸锂晶体居里温度高，压电效应的温度系数小，机电耦合系数高，介电损耗低，晶体物化性能稳定，加工性能良好，又易于制备大尺寸高质量晶体，是一种优良的压电晶体材料。

与常用的压电晶体石英相比，铌酸锂晶体声速高，可以制备高频器件，因此铌酸锂晶体可用于谐振器、换能器、延迟线、滤波器等，应用于移动通信、卫星通信、数字信号处理、电视机、广播、雷达、遥感遥测等民用领域以及电子对抗、引信、制导等军事领域，其中应用最为广泛的是声表面波滤波器件(SAWF)。

光学应用：

除压电效应外，铌酸锂晶体的光电效应非常丰富，其中电光效应、非线性光学效应性能突出，应用也最为广泛。而且铌酸锂晶体可以通过质子交换或钛扩散制备高品质的光波导，又能够通过极化翻转制备周期性极化晶体，所以在电光调制器、相位调制器、集成光开关、电光调Q开关、电光偏转、高电压传感器、波前探测、光参量振荡器以及铁电超晶格等器件中得到广泛应用。

介电超晶格：

1962年Armstrong等首次提出了准相位匹配 (QPM，Quasi-Phase-Match) 的概念，利用超晶格提供的倒格矢来补偿光参量过程中的位相失配。铁电体的极化方向决定非线性极化率χ2的符号，将铁电体内制备出周期性极化方向相反的铁电畴结构就能够实现准位相匹配技术，包括铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾等晶体都可以制备周期极化晶体，其中铌酸锂晶体是制备和应用该技术研究最早、实际应用最为广泛的材料。

周期极化铌酸锂晶体的初期应用主要考虑应用于激光频率变换，2014年Jin等设计了基于可重构铌酸锂波导光路的光学超晶格集成光子芯片，首次实现了芯片上纠缠光子高效产生和高速电光调制。

可以说，介电超晶格理论的提出和发展，将铌酸锂晶体及其他铁电晶体应用推向一个新高度，在全固态激光器、光学频率梳、激光脉冲压缩、光束整形以及量子通信中的纠缠光源等方面具有重要的应用前景。

铌酸锂晶体的未来：

声学应用：

目前的第五代移动通信网络(5G)部署包含了 3~5 GHz的 sub-6G 频段以及 24 GHz以上的毫米波频段，通信频率提高不仅要求晶体材料压电性能能够满足，也要求晶片更薄、叉指电极间距更小，器件的制备工艺受到极大挑战。

铌酸锂晶体在更高频率的滤波器方面研究进展很快,材料和器件制备技术仍然表现出巨大的潜力。随着铌酸锂单晶薄膜材料以及新型声学器件技术的发展，作为未来5G通信的核心器件之一，基于铌酸锂晶体的前端射频滤波器具有重要的应用前景。

光通信应用：

光调制器是高速光通信网络的关键器件,未来对铌酸锂电光调制器的要求包括更高调制速率以及小型化、集成化。

光通信技术是第五代移动通讯网络建设的重要一环，而铌酸锂电光调制器作为其中的核心器件，也会迎来更大的发展。

光子集成芯片：

光子已经在高容量通信、光存储、信息传递、信息处理、探测等领域得到了广泛应用，与电子学从分立元件到集成电路的发展一样，光子学器件的微小型化、集成化、低功耗、模块化、智能化和高可靠性等要求越来越高，集成光子学芯片必然会替代分立光学元件。前期集成光子学芯片的发展主要是光通信需求的牵引，围绕硅基光子学和磷化铟基集成开展研究。

硅基光子学集成芯片因为庞大的成熟半导体材料和工艺技术体系而发展很快，但硅基激光器制备技术一直是其中的短板，目前依赖与磷化铟混合集成；部分磷化铟集成光子芯片已经获得商业化应用，性能也比硅基光子学集成芯片更加优秀，但缺乏像硅一样的通用工艺平台，工艺技术复杂,价格昂贵。

除光通信领域对集成光子学的需求外，基于光子学的光量子信息处理、光计算、生物传感、成像探测、信号处理、存储、三维显示等未来需求更加庞大，与硅或磷化铟等混合集成的方案难以适用。