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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(dá)到產(chǎn)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(xué)芯片理論、制備與應(yīng)用等核心技術(shù)發(fā)展與完善,鈮酸鋰晶體變成光子時代的“光學(xué)硅”材料,為集成光子學(xué)的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎(chǔ)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(yè)得到了普遍使用,與電子學(xué)從分立元件到集成電路的發(fā)展一樣,光子學(xué)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(xué)芯片勢必會替代分立光學(xué)元件。早期集成光子學(xué)芯片的發(fā)展主要是光通信需求的牽引,圍繞硅基光子學(xué)和磷化銦基集成開展研究。

  硅基光子學(xué)集成芯片因?yàn)榫薮蟮某墒彀雽?dǎo)體材料和生產(chǎn)工藝體系而發(fā)展迅速,但硅基激光器制備技術(shù)始終是其中的短板,現(xiàn)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(jīng)獲得商業(yè)化應(yīng)用,性能也比硅基光子學(xué)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(shù)復(fù)雜,價格比較貴。

  由光通信需求牽引的鈮酸鋰基集成光子學(xué)研究,重點(diǎn)圍繞馬赫-曾德干涉光強(qiáng)調(diào)制器、相位調(diào)制器及其集成光開關(guān)等多個方面開展。

  除光通信領(lǐng)域?qū)晒庾訉W(xué)的需求外,基于光子學(xué)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(shù)發(fā)展看來,絕大多數(shù)的光子學(xué)元件都已經(jīng)基于鈮酸鋰晶體實(shí)現(xiàn),包括:

  通過稀土摻雜實(shí)現(xiàn)的鎖模激光器、調(diào)Q激光和光放大等;

  鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換實(shí)現(xiàn)的光波導(dǎo)以及集成光開關(guān)、光交叉、光耦合及其單光子探測等;

  運(yùn)用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度、相位和偏振的調(diào)制、波前探測和光脈沖選擇等;

  利用非線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光頻率變換、量子糾纏態(tài)光子產(chǎn)生;

  利用光折變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的光柵、全息存儲、相位共軛器、空間光調(diào)制器等;

  鈮酸鋰光子晶體、鈮酸鋰光學(xué)微腔發(fā)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(yīng)、熱釋電效應(yīng)、光彈效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)對力、熱、光等信號之間的互相轉(zhuǎn)換與傳感。

  在目前發(fā)展比較成熟的光電材料體系里,基于同一個基質(zhì)材料發(fā)展如此多的基本光學(xué)元件、光子學(xué)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(xué)芯片發(fā)展中發(fā)揮更重要作用充滿了期待。

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