鈮酸鋰超構表面：制備及光子學應用

崔雪晴，謝冉冉，劉洪亮，賈曰辰*，陳 峰

1 山東大學物理學院 晶體材料國家重點實驗室,山東 濟南 250100；2 南開大學電子信息與光學工程學院微尺度光學信息基礎科學重點實驗室,天津 300350

1 引 言

超構表面是由亞波長尺寸的超構單元構建的二維表面，能夠靈活地對電磁場的局域分布進行調控，在近年來受到了廣泛的關注[1-2]。通過對超構單元的納米結構進行合理設計，二維超構表面能夠以亞波長分辨率控制電磁波的偏振、相位和振幅等特性[3]。相較于三維超構材料，二維超構表面不僅能夠極大地緩解傳統(tǒng)超構材料中積累的高阻損耗，并且規(guī)避了復雜的三維納米結構的制造要求。此外，亞波長厚度的超構表面具有顯著的集成優(yōu)勢，使研制具備多種光學功能的超緊湊光子器件成為可能，對于微納光子學與集成光子學具有重要意義。特別是在非線性光學領域，超構表面可以在一定程度上緩解甚至完全克服相位匹配的要求，從而表現(xiàn)出強烈的非線性光學響應[4-5]。

超構表面的早期研究主要圍繞等離激元(金屬)材料展開[6-7]，材料中的光子-電子模式的集合振蕩能夠提升局域電場限制并增強光與物質的相互作用，因而在非線性增強[8-10]、高靈敏度傳感[11-13]、量子光學[14-15]等方面取得了一系列振奮人心的成果。然而，金屬材料在除微波之外的其它波段表現(xiàn)出顯著的歐姆損耗，導致傳統(tǒng)等離激元超構表面的光學品質因子(quality factor，Q-factor)相對較低，這也限制了它們在多種功能性納米光子器件中的應用。此外，一些貴金屬(如金和銀等)不僅制作成本較高，其微納加工工藝也與傳統(tǒng)的半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)工藝不兼容。鑒于此，與半導體工藝相兼容的介電超構表面逐漸成為研究熱點[16-17]。

介電超構表面通常由具有高折射率、高非線性系數(shù)的介質或半導體材料(如Si、GaAs、TiO2等)構成，這些材料通常在光學頻率波段損耗較低，并且與周圍介質之間具有較高的折射率對比度，能夠激發(fā)除電場共振模式之外的磁場共振模式，進而可以通過電磁共振來調控光的性質并且實現(xiàn)局域電磁場增強。因此，介電超構表面在諸多領域都展示出了優(yōu)異的光學性能[18-22]。然而，在非線性光學應用方面，以Si 為代表的諸多半導體材料由于具有中心對稱的晶體結構而不表現(xiàn)出倍頻、差頻等二階非線性光學性質，僅僅應用于三階非線性光學性能增強。而以GaAs 為代表的具有非中心對稱晶體結構的半導體材料大多帶隙較窄，因而不適用于可見光波段的應用。因此，尋找功能更為全面的介電材料尤為重要。

鐵電晶體鈮酸鋰(LiNbO3)具有從可見光到中紅外波段(0.35 μm～5 μm)的透明窗口、相對較高的折射率、優(yōu)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[23-24]，被譽為“光學硅”[25]。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(xiàn)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(lithiumniobate-on-insulator，LNOI)薄膜技術[26-27]以及相關表面微納制造技術的快速發(fā)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(xiàn)[28-31]，例如具有超高性能的緊湊型調制器[32-35]、寬帶頻率梳[36-38]、以及高效率的光學頻率轉換器[39-41]和單光子源[42-43]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。

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(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较蜻M行了展望。

2 鈮酸鋰超構表面的制備

高質量的LNOI 薄膜是利用“離子切片”工藝研制的，并已在近幾年實現(xiàn)商業(yè)產品化。具體的制備步驟可參考已經發(fā)表的綜述論文[44-45]，本文不再贅述。這里簡要介紹LNOI 片上超構表面的制備方法。

事實上，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(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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，F(xiàn)IB)、CMP 或者飛秒激光燒蝕技術實現(xiàn)，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Fig.1 The main flow chart of fabrication of photonic structure on the LNOI chip: patterned processing;pattern transfer;post-processing

接下來本文將對上述制備過程中所涉及的幾種關鍵技術進行簡單介紹。

用于圖案化處理的光刻技術主要分為紫外光刻技術(ultraviolet photolithography)[46]和電子束曝光技術(electron beam lithography，EBL)[47-48]兩種類型。與紫外光刻技術相比，EBL 技術的優(yōu)勢在于加工精度較高，有利于鈮酸鋰薄膜上復雜圖案的制備。但紫外光刻技術具有更高的制造效率，適合超構表面光學器件的大規(guī)模量產。此外，紫外光刻技術能夠與CMOS 加工工藝相兼容，而CMOS 工藝有助于實現(xiàn)晶圓級的單片集成，降低封裝成本。

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(yōu)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。在過去的幾十年里，包括反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)、感應耦合等離子體反應離子刻蝕(inductively coupled plasma reactive ion etching，ICP-RIE)[49-51]以及Ar+等離子體純物理刻蝕(即氬刻)[52-55]等在內的多種干法刻蝕方法都得到了廣泛的應用。與Si 和SiNx等大多數(shù)集成光子學平臺不同的是，鈮酸鋰缺乏合適的反應離子刻蝕配方，在高質量微納結構的制造上存在困難。例如，基于氟化物的RIE 雖然可以通過形成具有揮發(fā)性的氟化鈮(NbF4)有效去除鈮酸鋰[56]，但同時該方法也會在表面形成難揮發(fā)的氟化鋰(LiF)顆粒，導致嚴重的二次沉積問題[57-58]。針對此，研究人員對刻蝕參數(shù)(如氣體比例、功率等)進行了不斷優(yōu)化[59-63]，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[64]。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(xiàn)更優(yōu)的側壁光滑度，這也是目前LNOI 最常用的干刻方法之一。該方法可以結合不同的方式進行，例如感應耦合等離子體(inductively coupled plasma，ICP)、電子回旋共振(electron-cyclotron resonance，ECR)或離子束刻蝕(ion-beam etching，IBE)系統(tǒng)等。2017 年，哈佛大學Lon?ar 教授課題組結合EBL 和氬刻技術制備出傳輸損耗低至2.7 dB/m 的脊形多模波導，同時通過設計具有完美寬度和直線段長度的跑道型微諧振腔，實現(xiàn)了Q值大于107的超高質量光學微腔[28]。截至目前，同種方法已被成功應用于柱狀超構表面的制備(Q值在776.6 nm 達到129)[65]。然而，純物理刻蝕鈮酸鋰也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，對于可用的光刻抗蝕劑而言，它的刻蝕選擇性較差，從而導致有限的刻蝕深度和較低的模式限制。其次，Ar+刻蝕鈮酸鋰結構也會由于二次沉積效應造成側壁粗糙問題，但與LiF 二次沉積(以顆粒形式)不同的是，Ar+刻蝕的二次沉積形成的表面較為平滑，不會引入很高的散射損耗。采用Ar+刻蝕的最顯著缺點是會形成過切的波導輪廓(即橫截面呈梯形)，其側壁傾角通常在40°～80°范圍內，這與化學刻蝕過程相比并不占優(yōu)勢，并且會對相鄰結構之間的最小特征尺寸和間距造成限制。通常來說，較低的真空壓力和較高的等離子體功率有助于產生更陡峭的側壁[66]。此外，在干法刻蝕工藝完成后可使用濕化學清洗去除二次沉積物和其他污染物，從而進一步降低光學損耗[67-69]。

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[64]Fig.2 (a) A schematic of the SHG from the lithium niobate metasurface;(b) Schematic illustration of the process flow of fabrication;(c) SEM image of the fabricated metasurface in which the nanoresonator consists of a truncated pyramid and a residual layer underneath[64]

除干法刻蝕外，聚焦離子束(focused ion beam，F(xiàn)IB)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2.5×105。在制備過程中對飛秒激光燒蝕形成的圓柱連續(xù)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[70]。隨后，同一組研究人員通過優(yōu)化銑削電流(1 nA)和退火后的持續(xù)時間(500 °C～ 4 h)，成功地將Q值提高到2.45×106[71]。除微諧振腔外，F(xiàn)IB 的靈活簡便性及其高精度加工特性有助于充分發(fā)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。2019 年，南開大學許京軍、任夢昕教授課題組采用FIB 銑削技術，通過選擇性地轟擊與去除鈮酸鋰分子，在幾百納米厚度的鈮酸鋰薄膜上成功制備了周期納米線陣列，實現(xiàn)了具有優(yōu)異光學功能的鈮酸鋰超構表面[72]。2021 年，意大利米蘭理工大學Celebrano 教授課題組基于FIB 銑削技術制備了鈮酸鋰納米柱陣列超構表面，側壁傾角可達83.6°[73]。其中，在進行FIB銑削之前，研究人員創(chuàng)新性地通過射頻磁控濺射法沉積了一層Cr 膜，從而避免了FIB 加工過程中的充電效應，進一步優(yōu)化對納米結構高度的控制，確保所制備超構表面的尺寸均勻性。同時，Cr 膜作為犧牲層還可以防止Ga+的注入，從而減少鈮酸鋰柱內缺陷。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(guī)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(fā)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[70]Fig.3 (a) SEM image of a cylindrical post formed after femtosecond laser ablation;(b) SEM image of the cylindrical post after the FIB milling[70]

作為FIB 銑削的替代方案，化學機械拋光(chemical-mechanical polishing，CMP)技術[74]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(huán)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4 nm，Q值>3×106。圖4(c)和4(d)顯示了CMP 前后微環(huán)側壁的放大SEM 圖像[75]。此外，CMP 技術本身可以作為制造過程中圖案轉移的有效手段，利用CMP 技術制備片上光學結構通常包括四個步驟：1) 在鈮酸鋰薄膜上沉積一層Cr 作為刻蝕掩膜；2) 通過光刻技術或者飛秒激光燒蝕將Cr 掩膜圖案化；3) 采用CMP技術去除未被Cr 掩膜覆蓋的鈮酸鋰；4) 利用濕法刻蝕去除表面Cr 掩膜。在薄膜制備和波導、微諧振腔制造中應用CMP 技術可以緩解由離子注入引起的晶格損傷，將平均表面粗糙度降至亞納米級別以下[29,76]。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(xiàn)了Q值高達108(波長為1550 nm)的LNOI 微盤、微環(huán)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[77-78]。不可否認的是，飛秒激光燒蝕與CMP 技術的結合為未來制備鈮酸鋰片上超低損耗光子系統(tǒng)和器件開辟了一條新的道路，但也存在明顯的劣勢。首先，CMP 技術的加工特性限制了其加工效率；其次，由于制造過程中金屬掩模和鈮酸鋰的選擇性有限，導致經由 CMP 技術制備的納米結構的縱橫比低于1.5[79]，這為制造間隙小于2 μm 的耦合器件帶來了挑戰(zhàn)。因此，在未來應該付出更多努力來實現(xiàn)更高的縱橫比，這對于構建高密度光子集成電路至關重要。

圖4 采用紫外光刻結合RIE 技術制備微環(huán)腔，然后用CMP 拋光側壁。(a) 制備工藝流程示意圖；(b) 微環(huán)腔SEM 圖像；CMP 前(c)后(d)微環(huán)腔側壁的放大SEM 圖像[75]Fig.4 Microring fabricated by UV lithography and RIE,followed by sidewall polishing by the CMP.(a) Schematic illustration of the process flow of fabrication;(b) False-color SEM image of the microring;and enlarged SEM image of the sidewall (c) before and (d) after the CMP[75]

3 鈮酸鋰超構表面的應用

3.1 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(xiàn)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(shù)受到廣泛關注，成為研究非線性光學超構表面的理想材料[80-82]。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(shù)，能夠在紫外到中紅外的寬波段范圍內實現(xiàn)多種高效的非線性效應[38,83-85]，包括SHG效應。

依靠著LNOI 平臺提供的高折射率差和緊湊型結構，LNOI 微納光子學結構(例如光波導、回音壁模式微腔、光子晶體諧振腔)的SHG 效應是近年來研究的熱門課題[38-39,86-89]，并取得了顯著成果。周期性極化鈮酸鋰(periodically poled lithium niobate，PPLN)波導的準相位匹配SHG 歸一化轉換效率通常由η=P2/P12L2給出，其中P是功率，L為波導長度，下標1 和2 分別表示基波和二次諧波。迄今為止，研究人員已通過準相位匹配在SiNx加載波導和單片鈮酸鋰脊波導中實現(xiàn)了超高的歸一化轉換效率。在前一種情況下，通過設計波導橫截面限制了基模TE 模式向TM平板模式的泄漏，在PPLN上的5mm長度SiNx加載波導中實現(xiàn)了1160%/W·cm2的高歸一化轉換效率[90]；在后一種情況下，通過對二次諧波信號進行主動監(jiān)測以實現(xiàn)最佳極化，在300 μm 長的鈮酸鋰脊形波導中實現(xiàn)了4600%/W·cm2的超高歸一化轉換效率[91]。與在波導中不同的是，回音壁模式微腔及光子晶體腔的SHG 歸一化轉換效率通常由η=P2/P12給出。2019 年，程亞教授課題組提出了一種無需周期性極化即可在LNOI 微腔中實現(xiàn)高效倍頻的新機制，其在LNOI 微盤中實現(xiàn)的SHG 歸一化轉換效率高達9.9%/mW[83]。同年，美國史蒂文斯理工學院Huang教授課題組及耶魯大學Tang 教授課題組先后制備出具有雙重共振的周期性極化的LNOI 微環(huán)形諧振腔，SHG 歸一化轉換效率分別高達230000%/W 和250000%/W[40-41]。2020 年，Tang 教授課題組利用最大非線性極化率張量d33在LNOI 微環(huán)諧振腔中實現(xiàn)了高達5000000%/W 的歸一化轉換效率，這也是目前所報道的基于LNOI 微諧振腔SHG 轉換效率的最高值[92]。此外，基于LNOI 光子晶體諧振腔的SHG 也已經在實驗中實現(xiàn)，但由于基波和諧波無法同時處于諧振狀態(tài)，其轉換效率較低(當前記錄為0.078%/W[93])。令人欣慰的是，有關雙共振光子晶體腔的最新進展有潛力解決這一問題[94]，有望實現(xiàn)超高效的非線性轉換，甚至實現(xiàn)單光子非線性。

除以上LNOI 微納光子學結構外，由亞波長超構單元組成的超構表面為設計納米尺度的非線性響應提供了一個革命性的概念。充當光學諧振腔的超構單元能夠將電磁能量壓縮到超越衍射極限的空間內，提供很高的局域場增強，極大地提升光與物質的相互作用[17,95-96]，從而使二維超構表面在提高非線性光頻轉換效率方面具有很大潛力，基于LNOI 薄膜的鈮酸鋰超構表面結構也有望為實現(xiàn)新型高效納米級SHG 光源提供一種新的思路。

鈮酸鋰超構表面結構在非線性共振光子學中具有巨大優(yōu)勢。研究人員首先從理論上指出鈮酸鋰超構表面的Mie 共振模式和Fano 共振模式對SHG 具有增強作用[97-98]，隨后，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院Grange 教授課題組通過化學合成法制備了具有Mie 共振模式的鈮酸鋰納米立方體結構，并在360 nm 處觀測到了高效的SHG 增強，該數(shù)據相比于塊狀鈮酸鋰提高了107倍[99]。然而，由于自下而上的化學合成方法相對復雜，Mie 諧振腔的幾何結構僅限于立方體。為克服這一限制，中山大學劉進教授課題組利用飛秒激光燒蝕技術制備了單個納米球，該納米球結構支持Mie 共振模式，并在750 nm 飛秒激光激發(fā)下顯示出紫外(ultraviolet，UV) SHG，轉換效率可達4.45 × 10-8[100]。Mie 諧振腔作為一種新型的高效全介質超構單元，在非線性光學超構表面方面具有巨大的潛力。

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1550 nm 波長處表現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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10-6[64]。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(xiàn)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掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。通過調整幾何參數(shù)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2.05 GW cm-2的s 偏振光泵浦下，SHG 轉換效率約為2 × 10-6，為未加工的薄膜區(qū)域的兩倍，如圖5(b)所示[101]。

圖5 (a) 非線性鈮酸鋰超構表面的SHG 示意圖。左下插圖為D=600 nm 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[101]Fig.5 (a) A schematic of the SHG from the nonlinear lithium niobate metasurface.Left inset gives a typical SEM image of cross section of the metasurface with D=600 nm.Right inset presents the measured second-order susceptibility of the lithium niobate film used in this study;(b) Spectral dependence of SHG efficiencies from metasurfaces[101]

雖然鈮酸鋰超構表面在SHG 增強方面取得如此多的進展，但LNOI 薄膜的生產成本相對過高。2021 年，意大利米蘭理工大學Celebrano 教授課題組利用FIB 銑削技術制備了第一個基于鈮酸鋰的單片非線性納米柱陣列超構表面，在可見光范圍內低至0.5 GW/cm2的泵浦強度下實現(xiàn)了2.40 × 10-8的SHG 轉換效率。與此同時，該結構允許將 SHG 衍射到第一衍射級模式，其信號比零級強 2 個數(shù)量級，從而產生約20 dB 的消光比。此外，在超構表面的作用下，所產生的二次諧波被優(yōu)先重定向到沿泵浦偏振方向的衍射級，因此可以通過控制泵浦偏振實現(xiàn)對衍射圖案的操縱，從而為偏振編碼非線性光學開辟了新的機會[73]。

表1 總結了三種不同超構單元組成的鈮酸鋰超構表面SHG 的主要性能參數(shù)。其中PT為截斷金字塔陣列超構表面的周期，L為納米諧振腔的邊長；D為光柵超構表面的周期，d和h分別為脊的寬度和高度；PC為納米柱陣列超構表面的周期，R為納米柱的半徑。

表1 超構表面SHG 主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of metasurface SHG

鈮酸鋰超構表面優(yōu)異的光頻轉換性能還體現(xiàn)在利用自發(fā)參量下轉換(spontaneous parametric downconversion，SPDC)高效制備光子對上。近年來，量子光學在很多領域具有廣泛的應用，包括超高速和強大的安全量子通信[102-103]、快速準確的量子計算[104-105]以及高分辨率計量、成像和傳感[106-107]等。通過非經典光源產生高質量的糾纏單光子對是上述大多數(shù)應用的重要組成部分，并且一直是現(xiàn)代量子光學技術長期追求的目標。利用非線性晶體中的SPDC 過程產生糾纏和相關單光子對是目前最通用的技術之一，對于開展量子光學研究及研發(fā)高效量子光源具有重要意義。在SPDC 過程中，擁有較高頻率(ωp)的泵浦光子以一定概率轉換成具有較低頻率的下轉換關聯(lián)光子對(信號光子與空閑光子，頻率分別為ωs和ωi)。然而，作為一個典型的自發(fā)量子非線性過程，其效率極低。最近，人們廣泛致力于利用基于非線性晶體、波導、光子晶體和環(huán)形諧振腔的傳統(tǒng)設計來增強這種效應[108-109]，但仍存在體積龐大或不適合自由空間應用的問題。相比之下，基于LNOI 平臺的理論和實驗均已證明在信號和空閑光子頻率處具有共振的單個納米諧振腔能夠有效提高SPDC 的效率[110-111]。在此基礎上，由非線性納米諧振腔陣列組成的超薄超構表面有望產生更高的光子對產生率，實現(xiàn)緊湊型高效單光子源。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(fā)現(xiàn)，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(qū)域提高了兩個數(shù)量級(130 倍)。實驗結果還證明，發(fā)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[112]。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[112]Fig.6 (a) SPDC from a lithium niobate metasurface: the pump is incident from the substrate side,photon pairs are collected in reflection.Both the pump and the SPDC photons are polarized along the lithium niobate optic axis z;(b) Measured SPDC spectra from quantum optical metasurfaces.Gray stars show the SPDC spectrum from the unpatterned lithium niobate film[112]

3.2 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(xiàn)出了非凡能力。但目前的超構表面在本質上大多是靜態(tài)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(tài)光學器件的過渡[2,113-116]。因此，超構表面特性的動態(tài)調控一直是研究的熱點，許多不同的動態(tài)調諧機制也已經趨于成熟，例如光泵浦[117]、熱加熱[118]、化學反應[119]和電刺激[120]。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(0.35 μm～5 μm)，較高的折射率(765 nm 處n0=2.26)以及優(yōu)異的電光系數(shù)(r33=34 pm/V)，在電光調制研究方面具有廣泛的應用[32,121]。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(yōu)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[33]、光子晶體[122]、微環(huán)[36]或微盤[123]等，具有數(shù)十到數(shù)百GHz 調制速度的各種片上EO 調制器單元已經得以實現(xiàn)。

2020 年，蘇黎世聯(lián)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[124]。2021 年許京軍教授課題組首次通過實驗證明了鈮酸鋰超構表面的EO 調制特性，其利用納米光柵內部連續(xù)譜中的準束縛態(tài)(quasi-bound states in the continuum,QBIC)共振模式，在可見光范圍內實現(xiàn)了對透射光相位的動態(tài)調控，調制強度相比于未加工的薄膜區(qū)域提升了1.46 倍[125]。同年，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2 VPP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(qū)域相比增強了兩個數(shù)量級，這也是迄今為止最快和最強的EO 調制超構表面[65]。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 135 nm、周期為 500 nm 的超構表面的透射率(藍色線)，橙色線表示 2 VPP 和180 kHz 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(qū)域的調制幅度)[65]Fig.7 (a) Metasurface driven by Au electrodes.The lower left inset shows the SEM image of the metasurface pillar structure.The lower right inset shows a false-color SEM of several metasurfaces (purple) between the electrodes (yellow);(b) Measured transmission (blue) of a metasurface with radius 135 nm and period 500 nm,normalized by the transmission of an unstructured area.The orange line shows the modulation enhancement,defined as the modulation amplitude of the metasurface divided by the modulation amplitude of an unpatterned area,for an AC voltage of 2 Vpp and 180 kHz[65]

3.3 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(xiàn)的[126-127]。然而，這兩者都需要額外的色散調控，并且通常是窄帶的[39,128]。例如SHG 的轉換帶寬通常在10 nm 以內，而SPDC 的帶寬雖然可以通過設計不同的波導長度達到100 nm 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(guī)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(xiàn)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(yōu)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(qū)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)。梯度超構表面提供的單向波矢量使得從TEmn(2ω)和TMmn(2ω)模式返回到模式TE00(2ω)或TE00(ω)模式的光功率耦合效率非常低，這種單向的光功率傳輸確保了SHG 功率作為傳播距離的函數(shù)的有效積累，即所謂的無相位匹配(phase-matching-free)非線性產生，因此轉換效率對泵浦頻率和器件幾何形狀的變化都不敏感。基于該方案，2017 年，哈佛大學Loncar 教授課題組在納米光子LNOI 波導上構圖了a-Si 納米棒天線的相控陣列，實驗結果證明該結構在廣泛的泵浦波長范圍內表現(xiàn)出高效的SHG，歸一化轉換效率為1660%/W·cm2[88]。2020 年，南京大學李濤教授課題組基于LNOI 片上波導頂部圖案化的光柵超構表面，演示了SHG 以及生成的SH 波的面內操縱。此外，為了操縱波導內SH 信號的波前，在光柵超構表面中引入了全息設計。因此，非線性光束整形的強大功能得以展示，包括雙聚焦和Airy 光束生成，從而為靈活的片上多通道路由提供了機會[129]。相比于LNOI 片上鈮酸鋰作為超構單元的超構表面結構，這種超構表面與鈮酸鋰波導的耦合體系能夠在頻率轉換的同時對產生的倍頻光導模實現(xiàn)靈活的波前調控，從而將空間光到導模的耦合、基波光到倍頻光的頻率轉換以及諧波輸出波前操控三個過程合為一，實現(xiàn)了高度集成的非線性光束調控功能。在此基礎上，2021 年該課題組在LNOI 平臺上開發(fā)了一個集成的幾何超構表面，用作導波和自由空間輻射光之間的接口。通過在LNOI波導的頂面上排布不同旋轉角度的亞波長天線圖案，可以將導波操縱成空間中所需要的波前，從而實現(xiàn)聚焦、多通道渦旋波束生成和全息成像等多種復雜的自由空間光操縱功能[130]。

圖8 (a) 集成梯度超構表面的LiNbO3 片上脊波導，用于實現(xiàn)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[88]Fig.8 (a) Schematic of the LiNbO3 on-chip ridge waveguide integrated with a well-designed gradient metasurface for achieving phasematching-free second harmonic generation;(b) Conceptual diagram of the metasurface-based phase-matching-free second harmonic generation[88]

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(xiàn)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?shù)墓馐凵涞絻蓚€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(jié)[131]?；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0.529 THz 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[132]。

4 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(xiàn)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(fā)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(xiàn)出優(yōu)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(shù)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(yōu)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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。