近日，北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、北京大学纳光电子前沿科学中心的常林研究员及合作者受邀在知名学术期刊Science上发表题为“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”的综述文章，系统回顾了铌酸锂（LiNbO₃，或LN）作为产生和控制不同波段电磁波材料的发展历史，并对铌酸锂未来的应用前景作出展望。

图1. 铌酸锂作为光子材料的发展时间线

铌酸锂是一种关键的光子材料。由于其材料本身的大电光、压电和非线性效应的特性，以及具有商业上普遍供应的光学质量晶圆的优势，非常适合被用于产生和控制各种频段的电磁波。几十年来，共出现了三种LN光子平台，分别为块状晶体、弱约束波导和紧密约束波导，其演变过程见图1。

LN的材料特性使之能产生和处理从紫外线频段到微波频段的电磁频率，范围涵盖了近五个数量级。在可见和紫外光频段，材料损耗非常低，产生方法是利用非线性效应，应用场景有视觉应用和原子跃迁探测；在近红外频段，由于低传输损耗有广泛的应用，例如光通信、微波光子学、量子光学和光探测等，产生近红外频率电磁波的方法也很多样，例如拉曼激光、DFG、基于克尔效应的超连续谱产生、电光梳等；在中红外频段，可以用于空气质量监测等场景，这一频段的光可以通过超连续谱产生和克尔效应得到；太赫兹频段可以穿透纸张、塑料和织物，因此被用于传感和安全成像，窄带、高强度的太赫兹电磁波可以通过LN晶体中的光学整流生成；微波频率被用于5G和6G通信、雷达和射电天文学等领域，这一频段可以利用LN的声光、电光效应，将微波频率转换到光载波上。

图2. LN光子学应用场景的展望

文章对LN上光子学的发展进行了展望。LN波导平台将在复杂性和光谱宽度两个方面加速发展，从长远来看，基于大规模加工工艺、多种材料异质集成和电子电路共同封装，薄膜LN平台将有望实现大规模光学网络，从根本上产生应用创新，例如光量子计算芯片、全集成激光雷达和光神经网络等。

墨尔本皇家理工大学工程学院综合光子学和应用中心、澳大利亚阿德莱德大学光子学和先进传感研究所、澳大利亚阿德莱德大学电气和电子工程学院的Andreas Boes和常林为该论文的共同第一作者和通讯作者。来自斯坦福大学、哈佛大学、加州大学圣芭芭拉分校的该领域的权威专家共同完成了文章的撰写。本系列研究得到科技部重点研发计划与北京市自然科学基金重点项目的支持。

作者信息：

常林，电子学院研究员、助理教授、博雅青年学者，长期从事集成光学的研究，在半导体激光器、硅基光电子、集成量子光学方面都做出了重要成果，在过去的一年里，以第一、通讯作者发表Nature、Science正刊文章3篇，子刊文章5篇。