鈮酸鋰超構表面制備及光子學應用

作為三維超構材料的衍生物，具有亞波長厚度的人工超構表面結構能夠在緊湊的平臺上靈活操縱光與物質的相互作用，有利于多功能、超緊湊光子器件的研發，對于微納光子學和集成光子學具有重要意義。

鐵電晶體鈮酸鋰（LiNbO3）具有從可見光到中紅外波段（0.35μm~5μm）的透明窗口、相對較高的折射率、優異的電光（electro-optic，EO）和二階非線性光學性能以及出色的聲光和壓電特性，被譽為“光學硅”。這些獨特的性質使鈮酸鋰成為光子學中應用最廣泛的材料之一，是實現高效介電超構表面的理想基底材料。

隨著近幾年來絕緣體上鈮酸鋰（lithium-niobate-on-insulator，LNOI）薄膜技術以及相關表面微納制造技術的快速發展，一系列高質量、高性能的鈮酸鋰片上光子功能性器件得以實現，例如具有超高性能的緊湊型調制器、寬帶頻率梳、以及高效率的光學頻率轉換器和單光子源等。其中，鈮酸鋰片上超構表面結構在非線性光學頻率轉換、電光調制、光無源等方面的研究取得了巨大進展。

據麥姆斯咨詢報道，近期，山東大學和南開大學的研究人員組成的團隊在《光電工程》期刊上發表了題為“鈮酸鋰超構表面：制備及光子學應用”的綜述論文，本文簡要介紹了幾種有潛力制備高質量鈮酸鋰超構表面的微納加工技術，同時總結了近期鈮酸鋰超構表面在光頻轉換、電光調制、光無源等方面的研究進展，并對其在微納光學領域有發展潛力的研究方向進行了展望。

鈮酸鋰超構表面的制備

LNOI片上超構表面結構的制備工藝與其它LNOI片上微納光子學結構（如波導、微腔等）類似。制備過程可以按照有無掩膜的情況加以區分，典型的制備流程如圖1所示。有掩膜情況主要分為兩種：

1）首先利用光刻技術實現光刻膠的圖案化，此處光刻膠可以直接作為掩膜，也可以在光刻后沉積一層金屬作為掩膜，再結合剝離（lift-off）工藝完成圖案化處理；掩膜制備完成后，結合干法刻蝕或者化學機械拋光（chemical-mechanical polishing，CMP）技術去除多余的鈮酸鋰，完成圖案轉移；隨后進行后處理過程，利用濕法刻蝕去除殘留掩膜，實現微納結構的初步制備。

2）在沉積一層金屬掩膜后采用飛秒激光燒蝕技術對掩膜進行圖案化處理；利用CMP技術實現圖案轉移；通過后處理過程去除殘留掩膜。無掩膜直接刻蝕鈮酸鋰可以通過聚焦離子束（focused ion beam，FIB）、CMP或者飛秒激光燒蝕技術實現，其中以FIB技術最為常見。

此外，對于需要做后處理的微盤腔、納米梁等特殊結構，可以再結合濕法刻蝕去除底部多余的襯底結構。在制備過程中，CMP也可作為降低表面或側壁粗糙度的后處理過程。

圖1 LNOI片上微納光子學結構制備的主要流程圖：圖案化處理；圖案轉移；后處理過程 在圖案轉移過程中，相比于其他刻蝕方法，干法刻蝕具有各向異性、可靈活控制刻蝕深度、適于轉移復雜二維圖案并兼容多層處理等優點，在微納結構加工中備受青睞，也更適用于超構表面的制備。

研究人員對刻蝕參數（如氣體比例、功率等）進行了不斷優化，同時采用濕法刻蝕技術去除多余反應物，從而最大限度地增加側壁光滑度，減少散射損耗。2020年，德國耶拿大學Setzpfandt教授課題組通過采用多步驟反應離子刻蝕技術，制備出具有光滑側壁的高質量鈮酸鋰超構表面，在非共振波段該結構的透過率高達97％，詳細的制備流程及SEM圖如圖2所示。

相比于氟基刻蝕，Ar?等離子體純物理刻蝕可以直接從根源上避免LiF的形成，從而實現更優的側壁光滑度，這也是目前LNOI最常用的干刻方法之一。

圖2（a）鈮酸鋰超構表面SHG示意圖；（b）制備工藝流程示意圖；（c）所制備超構表面的SEM圖像，其中納米諧振腔由截斷金字塔和下面的殘余層組成

除干法刻蝕外，FIB技術作為目前最精確的無掩膜微納結構加工方法之一，允許制造高縱橫比及陡峭側壁的微納結構，已應用于許多復雜片上光子器件的制備。由FIB制備的第一個鈮酸鋰薄膜微諧振腔在2015年被提出，Q值為2.5×10?。在制備過程中對飛秒激光燒蝕形成的圓柱連續進行兩次FIB銑削，以光滑其粗糙外圍，圖3顯示了FIB銑削前后微諧振腔側壁的SEM圖像。

除微諧振腔外，FIB的靈活簡便性及其高精度加工特性有助于充分發揮鈮酸鋰超構表面的潛力，也是目前制備鈮酸鋰超構表面的常用方法。盡管FIB技術非常適合制造需要高分辨率的結構，但其操作面積通常為百平方微米，無法滿足大規模片上光子器件的研制，這也大大限制了其在實際應用中的發展。

圖3（a）飛秒激光燒蝕后柱狀結構的SEM圖像；（b）FIB銑削后圓柱的SEM圖像

作為FIB銑削的替代方案，CMP技術不僅擺脫了尺寸限制，而且能夠作為后處理過程，顯著改善片上光學結構表面和側壁的粗糙度，降低結構的散射損耗，從而成為在鈮酸鋰薄膜上加工超構表面的另一種有力備選方案。2017年，德國弗賴堡大學Buse教授課題組結合紫外光刻與RIE技術制備了微環結構，制備過程如圖4（a）所示。

在此基礎上，采用CMP技術拋光側壁，使其側壁粗糙度降低至4nm，Q值>3×10?。圖4（c）和4（d）顯示了CMP前后微環側壁的放大SEM圖像。2021年，華東師范大學程亞教授課題組結合飛秒激光燒蝕與CMP技術，先后成功實現了Q值高達10?（波長為1550nm）的LNOI微盤、微環諧振腔，接近了鈮酸鋰的本征材料吸收極限，這也是目前文獻報道的最高Q值。

圖4 采用紫外光刻結合RIE技術制備微環腔，然后用CMP拋光側壁。（a）制備工藝流程示意圖；（b）微環腔SEM圖像；CMP前（c）后（d）微環腔側壁的放大SEM圖像

鈮酸鋰超構表面的應用

非線性光學頻率轉換

二次諧波產生（Second harmonic generation，SHG）是最常見也是最簡單的非線性光學效應之一。在利用LNOI實現SHG的探索研究過程中，III?V半導體材料GaAs和AlGaAs因其較大的二階非線性光學系數受到廣泛關注，成為研究非線性光學超構表面的理想材料。

然而，這些半導體材料在可見光波段具有很高的光學吸收，其可見光SHG轉換效率很低。與之相比，鈮酸鋰具有較寬的帶隙和較高的二階非線性光學系數，能夠在紫外到中紅外的寬波段范圍內實現多種高效的非線性效應，包括SHG效應。

在對單個諧振腔SHG研究的基礎上，為進一步提高轉換效率，研究人員開始致力于對諧振腔陣列即超構表面結構的研究。2020年，德國耶拿大學Setzpfandt教授課題組結合EBL和IBE技術，制備出由鈮酸鋰截斷金字塔陣列構成的共振超構表面，該器件在1550nm波長處表現出較強的Mie共振模式。利用鈮酸鋰較大的對角二階非線性極化率張量，在垂直于超構表面的方向上觀察到增強的SHG。

此外，通過分析非線性極化率張量的不同元素對總二次諧波信號的貢獻，發現d33在其中起主要作用，為有效利用d33需使泵浦光沿晶體光軸方向入射，實驗測得這種由電貢獻主導的共振模式所產生的最大SHG轉換效率可達10??。

2021年，許京軍教授課題組進一步利用FIB銑削技術研制了鈮酸鋰納米光柵超構表面結構，并實現了在可見光范圍內的可調SHG特性。圖5（a）給出了非線性鈮酸鋰超構表面SHG的原理圖，并在插圖中展示了所制備的超構表面截面的典型SEM圖像。

通過調整幾何參數從而調整超構表面的共振來選擇性地提高不同波長的SHG效率，在強度為2.05GWcm?2的s偏振光泵浦下，SHG轉換效率約為2×10??，為未加工的薄膜區域的兩倍，如圖5（b）所示。

圖5（a）非線性鈮酸鋰超構表面的SHG示意圖。左下插圖為D=600nm的超構表面截面的典型SEM圖像，右下插圖顯示了研究中使用的鈮酸鋰薄膜的測量二階極化率；（b）超構表面SHG效率的光譜依賴性

2021年，德國耶拿大學Chekhova教授課題組制備出在信號和空閑光子頻率處具備基本電磁共振的鈮酸鋰截斷金字塔陣列超構表面，利用該結構進行自發參量下轉換（spontaneous parametric downconversion，SPDC）過程的原理如圖6（a）所示。通過測量來自超構表面的SPDC光譜（如圖6（b）所示）發現，在共振頻率附近的窄帶寬內，光子對生成率相比于未加工的薄膜區域提高了兩個數量級（130倍）。

實驗結果還證明，發射光子對的光譜寬度可以通過電共振波長與SPDC簡并波長之間的失諧來控制。該結構使糾纏光子的平面光學源成為可能，并有望成為一種新的有前途的量子光學實驗平臺。

圖6（a）鈮酸鋰超構表面的SPDC：泵浦光從基板側入射，光子對在反射中收集。泵浦和SPDC光子都沿鈮酸鋰光軸z偏振；（b）從量子光學超構表面測量的SPDC光譜?；疑秋@示來自未圖案化鈮酸鋰薄膜的SPDC光譜

電光調制

在過去的幾十年中，超構表面在光場調控領域展現出了非凡能力。但目前的超構表面在本質上大多是靜態的，其光學特性在制造過程結束后就被固定下來。對超構表面特性進行調制可以為光場調控提供新的機會，從而促進向動態光學器件的過渡。

因此，超構表面特性的動態調控一直是研究的熱點，許多不同的動態調諧機制也已經趨于成熟，例如光泵浦、熱加熱、化學反應和電刺激。在所有這些調控機制中，電場調控技術因有望將超構表面與其它片上光電器件集成而引起了人們的廣泛關注。

鈮酸鋰晶體具有較寬的透明窗口（0.35μm~5μm），較高的折射率（765nm處n0=2.26）以及優異的電光系數（r33=34pm/V），在電光調制研究方面具有廣泛的應用。迄今為止，LNOI已經成為超緊湊光子器件的一個有前途的平臺，包括電光調制器在內的各種高質量、高性能的功能性器件被成功演示。

得益于LNOI的結構優勢（鈮酸鋰薄膜和襯底（如SiO2）之間的大折射率對比度），光學模式被緊密限制在納米厚度的鈮酸鋰層內，從而進一步提高了電光調制效率。通過使用不同的LNOI微結構，如馬赫-曾德爾干涉波導、光子晶體、微環或微盤等，具有數十到數百GHz調制速度的各種片上EO調制器單元已經得以實現。

2020年，蘇黎世聯邦理工學院Grange教授課題組展示了具有高效EO調制性能的鈮酸鋰周期陣列的初步設計。2021年Grange教授課題組通過ICP-RIE技術制備出由線性EO效應調諧的鈮酸鋰納米柱陣列超構表面。該超構表面由兩側的金電極驅動，其示意圖和SEM圖像如圖7（a）所示。圖7（b）展示了驅動電壓為2VPP時不同波長下的透射譜及調制增強因子，結果表明EO調制幅度與波長有關，同時在超構表面的光共振處觀察到透射光的調制強度增強了80倍，與未加工的薄膜區域相比增強了兩個數量級，這也是迄今為止最快和最強的EO調制超構表面。這一概念證明工作向使用鈮酸鋰超構表面進行自由空間調制邁出了重要的第一步。

圖7（a）由金電極驅動的超構表面結構。左下插圖為超構表面柱結構的SEM圖像，右下插圖顯示了電極（黃色）之間幾個超構表面（紫色）的偽色SEM；（b）半徑為135nm、周期為500nm的超構表面的透射率（藍色線），橙色線表示2VPP和180kHz的交流電壓下的調制增強（定義為超構表面的調制幅度除以未圖案化區域的調制幅度）

光無源功能

在LNOI片上光學器件中，非線性相位匹配條件通常是通過雙折射或鐵電疇的周期性反轉來實現的。然而，這兩者都需要額外的色散調控，并且通常是窄帶的。例如SHG的轉換帶寬通常在10nm以內，而SPDC的帶寬雖然可以通過設計不同的波導長度達到100nm以上，但在實際應用方面仍然有很大的局限性。

針對這一局限性，在LNOI集成光子學中引入由周期性分布的納米天線組成的光學超構表面結構，可以規避相位匹配要求。其基本方案是在片內波導的頂部表面繪制一個梯度超構表面結構，如圖8（a）所示。通過合理設計天線陣列和波導結構，可以任意控制波導內的光傳播，從而實現非完美的相位匹配條件。

這種方案支持TE和TM偏振的光學元件，在非線性光學研究中具有顯著優勢。圖8（b）顯示了基于超構表面的非線性集成光子器件的工作原理，在被超構表面圖案化的波導區域中，光功率首先從泵浦頻率下的基模TE00(ω)耦合到SH頻率下的基模TE00(2ω)，然后在梯度超構表面的幫助下耦合到SH頻率下的高階波導模式TEmn(2ω)和TMmn(2ω)。

圖8（a）集成梯度超構表面的LiNbO3片上脊波導，用于實現無相位匹配的二次諧波產生;（b）基于超構表面無相位匹配的二次諧波產生原理圖

除波前調控外，鈮酸鋰超構表面在光無源方面的應用還體現在靈活分束和高靈敏傳感上。2018年，許京軍教授課題組報道了一種基于梯度超構表面的可見光和近紅外光分束器。該超構表面由兩排圓柱體組成，它們顯示出相反方向的相位梯度，從而將傳輸的光束折射到兩個方向。此外，該分束器的分流比可以通過有選擇性地調整某排鈮酸鋰圓柱體的損耗水平來進行靈活調節?；诖?，納米級尺寸分束器可廣泛應用于制造小型光子器件，如微型干涉儀、集成光學電路的多路復用器等。

隨后，該課題組在負載SiO2的鈮酸鋰波導上設計了微棒陣列超構表面的復合結構，展示了其作為太赫茲傳感通用設計的潛力。片上局域表面等離子體的近場耦合可以使表面波模式的約束更強，沿波導的相互作用長度更長，這將有效地增加分子吸收，從而能夠檢測到薄乳糖層。當固有特征頻率為0.529THz且乳糖層較薄時，透射光譜的選擇性顯著，與正常通過相同厚度的乳糖層透射太赫茲波時相比透射光譜強度增強了20倍。實驗與模擬結果均表明，該結構可以作為一種高靈敏度片上太赫茲傳感器，用于微量物質的檢測。

總結與展望

本文綜述了LNOI薄膜片上光子學器件—鈮酸鋰超構表面的最新研究進展，包括有潛力的制備方案以及鈮酸鋰超構表面在光頻轉換、電光調制、光無源等方面的應用現狀。隨著近年來晶圓級、高質量的LNOI薄膜制造技術的突破，基于LNOI薄膜的微納光學和集成光子學正處于快速發展階段。

各種高性能鈮酸鋰光子學器件的應用已經不僅限于線性和非線性光學，甚至已經擴展到量子光學、腔電光學和壓電光機械等新興領域。眾多研究結果證明，鈮酸鋰超構表面有利于制造具有高靈活性的超緊湊光子器件，同時展現出優異的光學功能。在非線性光學領域，鈮酸鋰超構表面的應用不僅限于諧波與光子對產生，也有望應用于其它非線性過程，如四波混頻、和頻產生、參數下轉換等，在生物傳感、量子光通信等領域都具有廣泛的應用前景。

在電光調制領域，未來更多的工作應致力于將器件調制范圍擴展到GHz范圍內，以及通過優化設計達到更好的電場和光場重疊或更高的Q因子共振，實現電光調制幅度的更強增強，從而為空間光調制器在波前調控、脈沖整形、偏振控制等領域的發展奠定堅實基礎。此外，超構表面與鈮酸鋰波導的耦合體系也有望實現高效耦合器、分束器、傳感器等多種光無源功能器件?？傊?，基于超構表面對光的靈活操縱特性及鈮酸鋰獨特的材料性質，鈮酸鋰超構表面結構在未來具有巨大的應用潛力。

審核編輯：劉清