近十年来，集成光子学的研究进展迅速。研究人员在硅和磷化铟等材料上建造了低损耗光波导、激光器、调制器、探测器，并实现了多功能器件的单片集成。这些集成光子芯片的优点是尺寸小、集成度高、功耗低，并且由于减少了链路损耗而获得高增益，同时能够实现更复杂的功能。然而，硅、磷化铟等材料自身存在一些缺陷，使得上述研究成果无法满足微波光子系统集成的要求。例如，基于绝缘体上硅（SOI）和InP材料的电光调制器具有温度敏感性、非线性失真、双光子吸收等缺点，不适用于微波光子系统。因此，迫切需要研究人员寻找一种新的宽带光电器件集成平台。

绝缘体上的铌酸锂（LNOI）材料在结构上类似于SOI材料。它可以分为三层，衬底层（硅），低折射率氧化物层（二氧化硅）和高折射率器件层（铌酸锂薄膜）。由于铌酸锂和二氧化硅之间的高折射率对比度，薄膜铌酸锂波导具有强的光场限制和紧凑的波导弯曲半径，从而减小了光子器件的尺寸。LNOI继承了体材料铌酸锂优良的材料和光学特性，具有类似SOI平台的光子器件集成能力，非常适合构建新一代宽带、低功耗微波光子RF前端芯片。

华中科技大学光电国家研究中心夏金松教授课题组在本文中总结了近年来国内外基于LNOI材料平台光电子器件与系统的研究进展，针对宽带电光调制器、光频梳、片上声光电系统、周期性极化薄膜铌酸锂（PPLN）波导、光纤与薄膜铌酸锂波导高效光耦合这五个部分进行了详细描述，展示了一系列代表性成果，体现了LNOI作为新一代光电子器件集成平台的优势和巨大潜力。同时，文中还描述了本课题组在各个研究方向上取得的进展和突破，包括宽带薄膜铌酸锂调制器、高品质因子微环谐振器、PPLN波导以及模斑转换器。尤其是在光纤-波导的高效耦合方面，本课题组创新性地提出了基于双层锥形波导和包层波导的端面耦合器，实现了迄今为止最低的耦合损耗（单端0.54 dB @ 1550 nm）。

图. 薄膜铌酸锂调制器光学显微镜图及扫描电镜图。

图. 双层锥形波导端面耦合器结构示意图。

LNOI除了具有优异的电光调制和光学非线性产生特性外，其优异的压电和声光特性也在光机电系统中得到了证实。此外，由双层锥形波导和包层波导组成的端面耦合器在整个C+L波段提供了有效的光纤-芯片耦合。光子集成电路（PICs）的各种关键构件已经在这个平台上建立起来。下一阶段，可以通过混合集成的方法引入光源与探测部分，实现LNOI片上系统，进一步提升集成度与整体性能。同时，继续发展基于光刻技术的LNOI器件制备，实现大规模生产。

Photonic devices based on thin-film lithium niobate on insulator

Shuai Yuan, Changran Hu, An Pan, Yuedi Ding, Xuanhao Wang, Zhicheng Qu, Junjie Wei, Yuheng Liu, Cheng Zeng, Jinsong Xia

J. Semicond. 2021, 42(4): 041304

doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041304

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