《薄膜铌酸锂光子晶体的研究进展》

本文共同第一作者葛睿来自上海交通大学先进光通信系统与网络国家重点实验室。文章聚焦薄膜铌酸锂光子晶体，综述其在制备、表征及应用*领域的最新进展：首先介绍铌酸锂材料本身具备的电光、非线性光学、声光、压电、光折变及热释电等优异特性，以及薄膜铌酸锂光子晶体“亚波长尺度约束光、利于片上器件集成”的优势；随后结合商业化铌酸锂绝缘体上芯片的发展背景，阐述高质量薄膜铌酸锂光子晶体的涌现，并从“指导器件研究”的角度，系统梳理该类光子晶体在制备、表征、应用三方面的成果，最后对比不同器件的性能参数，为后续研究提供参考。

以下为全文。

摘要

铌酸锂是一种表现出卓越电光、非线性光学、声光、压电、光折变和热释电特性的材料。薄膜铌酸锂光子晶体可将光限制在亚波长尺度，这有利于铌酸锂片上器件的集成。绝缘体上铌酸锂（LNOI）的商业化催生了高质量铌酸锂光子晶体的出现。为了给铌酸锂光子晶体器件的研究提供指导，本文综述了薄膜铌酸锂光子晶体在制备、表征及应用方面的最新进展，并比较了不同器件的性能参数。

关键词：铌酸锂；光子晶体；集成光学

1. 引言

铌酸锂（LiNbO₃，LN）是一种属于3m点群的优异铁电材料，其折射率约为2.2^[1]。它具有宽透明窗口、高二阶非线性和稳定的物理化学特性^[1,2]。光子晶体（PhC）可在亚波长尺度限制光，且光子晶体腔具有高品质因子（Q-factor）和小模式体积，这对光子非线性过程十分有利^[1]。绝缘体上铌酸锂（LNOI）技术的发展和薄膜铌酸锂（TFLN）芯片的商业化，推动了基于铌酸锂光子晶体（LNPhC）的高质量器件的实现。此前的研究已对集成LN器件^[3–6]、基于LN的畴工程^[7]和非线性LN器件^[8,9]进行了深入综述，但关于LNPhC（包括其制备与应用）的总结仍属空白。我们认为，未来LNPhC可应用于片上设备（如图1所示），其中调制器、光机械腔、传感器和波长转换器可实现互联。

在本研究中，我们综述了薄膜铌酸锂光子晶体（TF-LNPhC）的最新进展。第2节将重点阐述LN中小尺寸刻蚀孔的独特技术；随后，综述了几项关于LNPhC带分析和LNPhC腔的研究工作。第4节讨论了基于LNPhC的非线性器件、传感器、调制器和光力学器件，针对每种器件阐述其通用工作原理，并简要讨论LN超表面的相关工作。第5节则重点强调刻蚀孔不完美所引发的问题。

2. LNPhC的制备与表征

LNPhC研究的核心环节是制备工艺。在设计有限厚度的LNPhC时，通常将光锥线设计为陡峭形态，以确保光锥线下方获得足够的导模。通过增大LN与环境之间的折射率差，可实现陡峭的光锥线^[10]。在LNOI技术兴起前，多数研究聚焦于体块LN。早在2003年，Restoin等人就采用电子束轰击结合湿法刻蚀用于在块状铌酸锂中制备大量浅孔，而当时的晶格常数非常大^[11]。随后，研究人员将注意力转向未被空气包围的薄膜铌酸锂光子晶体（TF-LNPhC）^[12–15]，例如块状铌酸锂上的退火质子交换（APE）铌酸锂平板。绝缘体上铌酸锂（LNOI）技术的发展促进了高质量LNPhC制备工艺的进步。借助LNOI，研究人员可用氢氟酸（HF）溶解二氧化硅衬底，使LNPhC被空气包围（自悬浮）。此后，聚焦离子束（FIB）和电子束光刻（EBL）结合Ar⁺等离子体刻蚀，成为制备TF-LNPhC的主流方法。每种方法都有优缺点。

图1. 集成LNPhC器件示意图，包含波长转换器、传感器、调制器、光机械腔和超棱镜。

FIB是制备TF-LNPhC最常用的方法。2005年，Lacour等人利用FIB在块状LN上制备了纳米级孔，晶格常数处于亚微米尺度，随后对这些LNPhC进行了表征^[16,17]。FIB过程中，样品表面需金属化并接地以避免电荷积累^[16]。常用掩模为Cr^[16]和Au^[18]层，所选离子为Ga⁺，加速电压为30 kV。FIB会形成锥形孔，这是因为铣削过程中侧壁发生了材料再沉积。Lu等人提出了一种制备自悬浮TF-LNPhC的方法：先通过FIB制作空气窗口，再刻蚀孔，最终使LN层悬浮^[19]。随着LNOI的普及，研究人员开始在LNOI上直接刻蚀孔，获得了探针电流为120 pA^[20,21]和90 pA^[22]的孔，并完成了相应表征^[20–24]。图2展示了FIB制备的LNPhC图像^[15,20,22]。

FIB的缺点是仅适用于小面积结构（小于50×50个孔）的制备。制备大面积的光子结构时，需长时间加工，且易出现漂移^[25]。

除二维（2D）LNPhC外，FIB还可制备三维（3D）LNPhC。Courjal等人先将LN脊形结构倾斜90°，然后刻蚀若干沟槽^[26]，孔贯穿整个脊的宽度。三维LNPhC由沿z方向排列的多个二维TF-LNPhC组成。

图2. (a) 二氧化硅上TF-LNPhC的示意图，改编自[20]；(b) 悬浮LNPhC，改编自[22]；(c) 普通LN上带横向限制的APE LNPhC，改编自[15]。

电子束光刻（EBL）结合Ar⁺等离子体刻蚀是制备大量TF-LNPhC的重要技术，可实现晶圆级图形化^[10]。光刻胶可选用ZEP-520^[27–30]或氢倍半硅氧烷（HSQ）^[31–34]。使用ZEP-520时，可通过过刻蚀工艺获得光滑侧壁；过刻蚀后，平板厚度减小。使用HSQ时，第一步可通过Ar⁺等离子体将LN减薄至更小厚度^[33]。研究人员通过该方法实现了60°^[34]、70°^[35]和85°^[28]的孔侧壁角度。图3展示了EBL结合Ar⁺刻蚀制备的LNPhC图像^[28–30]。

图3. 电子束光刻（EBL）结合Ar⁺刻蚀制备的LNPhC示意图。[a] 二维LNPhC腔。经许可改编自[28]。[b] 具有超高Q因子的LNPhC腔。经许可改编自[29]。[c] LNPhC调制器。经许可改编自[30]。

为获得高质量孔的LNPhC，许多研究人员引入了额外的纳米制造工艺。Ulliac等人提出一种结合反应离子刻蚀和质子交换的块状LN刻孔方法（如图4(a)所示）^[25]，侧壁角度可达85°^[25]。Hartung等人将离子束增强刻蚀（IBEE）技术引入LN孔刻蚀工艺^[10]，其基本原理也如图4(a)所示^[10]。IBEE技术可在大面积块状LN上刻蚀出高深宽比、低表面粗糙度的孔，侧壁角度可达90°。TF-LNPhC可通过“埋入损伤层”实现，该技术基于离子辐照诱导缺陷降低晶体化学抗性的原理。若损伤程度超过特定阈值，那么材料就可以通过稀释氢氟酸中的湿法蚀刻去除。该技术的一个缺点是要求LNPhC的光轴与波导方向平行。为了验证该技术的可行性，Geiss等人表征了通过IBEE技术制备的LNPhC，实验结果与模拟结果相符^[36]。Deng等人证实，在IBEE过程中，LNPhC可以通过FIB（聚焦离子束）制备而无需EBL（电子束光刻），且离子注入成为第一步。此外，HF湿法蚀刻用于产生气隙和陡峭的侧壁。所选的束流为100 pA，形成的气隙为250 nm。最后，他们表征了所制备的TF-LNPhC，并观察到了法诺共振^[18,37]。使用IBEE技术制备的LNPhC腔显示出高Q因子模式，因此可用于二次谐波产生^[38,39]。氢氧化钾辅助的IBEE方法也被用于制备TF-LNPhC^[40]。

Calero等人提出了无再沉积的FIB蚀刻技术^[41]。他们指出，FIB过程中的制备缺陷归因于大的孔锥度、厚度侵蚀和表面粗糙度。此外，FIB图像也可能损坏所制备的结构。为了提高表面质量，他们使用了小的探针电流（24 pA）。为了获得准圆柱形的孔，他们增加了额外的工艺^[41]。他们基于LNPhC模拟了法诺共振，实验结果与模拟结果吻合良好。Qu等人改进了这种方法，如图4(b)所示，并制备了可观察到二次谐波信号的TF-LNPhC^[42]。与直接使用FIB在TFLN（薄膜铌酸锂）中刻蚀孔相比，无再沉积的FIB蚀刻技术增加了预制备过程，包括刻蚀TFLN层背面的Si层，从而形成空气区域。由于空气区域的存在，Ga⁺离子可以直接进入自由空间，从而避免了材料再沉积^[42]。在图4(c)中，我们展示了使用IBEE和无再沉积FIB技术制备的TFLN^[36,42]中的孔的扫描电子显微镜（SEM）图像。

由于制备具有高质量孔的LNPhC的工艺通常成本高昂，研究人员最近开始关注带有刻蚀掩模的LN层，而TFLN本身不被刻蚀。这种架构被定义为“无刻蚀LNPhC”，且不需要复杂的制备工艺，如图5所示^[43,44]。TFLN与其他材料基PhC的混合集成，结合了LN的优异特性和其他材料的带隙特性^[43]。此外，一些无刻蚀LNPhC基于连续谱中的束缚态（BIC）^[44]。

另一种制备LNPhC的方法是激光直写辅助的LN纳米光刻技术。2008年，Ishikawa等人通过150 fs脉冲、767 nm波长的直接激光制备获得了LNPhC，块状LN中制备的锥形孔直径处于微米尺度^[45]。一般来说，直接激光写入制备的LN孔直径比FIB或Ar⁺等离子体刻蚀制备的要大^[45]。然而，Wang等人发现，一旦将飞秒激光写入与其他技术（如湿法刻蚀）结合，就可以获得小尺寸（100 nm）和高纵横比的孔^[46,47]。

目前，LNPhC有四种常用的表征方法：锥形光纤耦合^[27]、端面耦合^[15]、交叉偏振共振散射耦合^[38]和光栅耦合^[34]。这些表征方法的示意图如图6所示^{[15,28,34,38]}。这些耦合方法的基本原理与硅PhC中的类似。交叉偏振共振散射方法的腔内耦合效率估计为20%^[38]。而对于光栅耦合，由于同时刻蚀光栅耦合器和孔的困难，需要多次EBL（电子束光刻）以及干法刻蚀工艺^[34]。

3. 基于LNPhC的能带分析、腔与慢光波导

在设计LNPhC时，前提是获得宽能带隙。Rolland等人模拟了具有不同晶格排列和厚度的LNPhC的光子和声子能带特性^[48]。他们发现，当参数精细调节时，会同时存在光子和声子能带隙。具有合适厚度和半径的三角形晶格会产生宽光子能带隙^[48]。Li等人也研究了掺铒LNPhC的能带特性，证明能带隙可以存在^[49]。Sivarajah等人指出，由于LN的各向异性，LNPhC能带图的分析方法与传统PhC（光子晶体）不同^[50]。

图4. (a) 基于反应离子刻蚀和IBEE技术的LNPhC制备流程。经许可改编自[10]和[25]。(b) 基于无再沉积FIB技术的LNPhC制备流程。经许可改编自[42]。(c) IBEE技术和无再沉积FIB技术制备的孔的SEM图像。经许可改编自[10]和[42]。

由于LN的折射率（RI）较低，设计基于LNPhC的高Q腔具有挑战性^[51]。然而，许多前沿研究在模拟和实验中都成功获得了超高Q因子（如表1所示）。它们大多基于模式禁带腔（异质结构腔）^[55]，其中晶格常数沿线缺陷方向逐渐变化。异质结构腔中的高Q因子物理机制已在先前使用硅光子晶体（PhC）的研究中讨论过^[56,57]。除了Q因子外，腔的模体积也逐步减小。在超高Q因子下，获得了0.78(λ/n)³的模体积^[29]。LNPhC腔的一个有趣特性是光折变效应的饱和与淬灭^[27]。由于光折变效应，当输入功率增加时，腔的谐振波长会发生变化。当输入功率达到一定值时，腔的谐振波长不再变化——也就是说，腔进入饱和状态。然而，当输入功率保持该值一段时间后，谐振波长会移回其初始值^[27]。

慢光波导具有强光与物质相互作用的特性，因此可增强非线性过程。LNPhC慢光波导的研究始于块状LNPhC。Iliew等人利用块状LNPhC阐明，其能带可用于相位匹配。结合洛伦兹互易定理的共轭形式与相关FDTD（时域有限差分）模拟，他们验证了：一旦满足相位匹配条件，有效面积与群系数呈负相关，而非线性可由有效面积确定[58,59]。

图5. (a) 以二氧化硅为掩模的无刻蚀LNPhC（铌酸锂光子晶体）的示意图；(b) 其扫描电子显微镜（SEM）图像。[43]经许可改编。(c) 以聚合物为掩模的无刻蚀LNPhC的示意图；(d) 其扫描电子显微镜（SEM）图像。[44]经许可改编。

4. LNPhC的应用

4.1 非线性频率转换

4.1.1 参量上转换

由于铌酸锂（LN）的非线性特性占主导，且光子晶体（PhC）薄板的模体积小，TF-LNPhC腔或慢光波导会催生高效参量上转换过程[11]。实验证明，二次谐波产生（SHG）的效率对入射偏振角和光轴方向较为敏感[38]。SHG效率与腔内功率呈二次方依赖关系，即(QT^{0.5}/V)^2$$^{[52]}。这意味着，具有高Q/V（品质因数/体积）的LNPhC腔能产生更多二次谐波。对于L3腔，其SHG效率为6.4 \times 10^{-9}$$^{[38]}。由于实验中成功获得了品质因数（Q）为106的腔，可观测到显著的二次谐波甚至三次谐波。此时SHG效率为0.078\% \, \text{W}^{-1}$$^{[28]}，同时也观测到了和频产生现象[53]；二次谐波还可通过脉冲源激发，其SHG效率为2 \times 10^{-4}$$^{[42]}。

产生的二次谐波信号可由锥形光纤直接收集，但光纤通常为电信波段设计，在二次谐波波段可能效率较低[28]；二次谐波信号也可通过二向色镜进行空间反射，再由硅雪崩光电二极管收集[38]。对于单共振LNPhC腔，产生的二次谐波通常以自由空间辐射形式存在[52]，这与铌酸锂微盘腔的情况不同[60,61]。将连续谱束缚态（BIC）引入二次谐波波长可减小辐射角[62]。最近，铌酸锂超表面已成为观测二次谐波的又一热门平台[63,64]。图7展示了一些基于LNPhC的参量上转换实验结果[28,38,42]。

图6. (a) 锥形光纤耦合示意图。经许可改编自[28]。(b) 端面耦合。经许可改编自[15]。(c) 交叉偏振共振散射耦合。经许可改编自[38]。(d) 光栅耦合。经许可改编自[34]。

基于薄膜铌酸锂（LN）慢光波导的二次谐波产生（SHG）也是一个重要研究方向。对于体块LNPhC，由于其厚度可视为无限大，光锥效应常被忽略——也就是说，基波长和二次谐波波长对应的模式都被认为是无损耗的[65]。因此，一旦满足相位匹配条件，产生的二次谐波功率会随传播距离增加而增大[60]。然而，这一理论无法直接推广到光子晶体（PhC）薄板中的波导，因为二次谐波波长对应的模式通常位于光锥之外[65]。

Saravi等人提出了一种方法，可实现慢光模式与泄漏模式的匹配[65]。他们考虑的情况是：基波模式无损耗，但由于光锥的存在，二次谐波模式存在损耗。他们利用伴随场形式来阐释这一物理机制，并通过时域有限差分（FDTD）方法，在TF-LNPhC上的慢光波导中验证了假设。当泵浦波沿路径传播时，二次谐波会达到饱和值——这意味着产生的二次谐波功率逐渐与辐射的二次谐波功率平衡。此时效率为8×10−5W−1。随后，他们研究了基波模式损耗对TF-LNPhC纳米梁中二次谐波行为的影响[66]。利用同一理论并假设相位匹配条件满足，他们发现：当基波模式和二次谐波模式都存在损耗时，随着传播距离单调增加，二次谐波功率会先达到峰值然后下降，这是因为产生的二次谐波无法与泵浦波平衡[66]。

表1. 基于TF - LNPhC腔体的近期研究工作的品质因数（Q - Factors）。

图7. (a)、(b) 两种不同模式带隙腔的光学显微镜图像。(c) 模式带隙腔的二次谐波信号光谱。(d) 模式带隙腔的二次谐波功率随基波泵浦功率的变化关系。经许可改编自[28]。(e) L3腔的二次谐波功率随基波泵浦功率的变化关系。经许可改编自[38]。(f) 无再沉积聚焦离子束（FIB）制备的体块腔的二次谐波功率随基波泵浦功率的变化关系。经许可改编自[42]。

4.1.2 参量下转换

除了参量上转换过程外，TF-LNPhC在参量下转换领域也展现出潜力。Saravi等人基于TFLN设计了一种双槽光子晶体慢光波导。光子晶体布洛赫模式的场可以展开为布洛赫谐波，而引入慢光波导可以提高涉及非主导布洛赫谐波模式的非线性过程的效率[67]。此外，通过将前向传播的泵浦模式与后向传播的低阶闲频/信号模式进行相位匹配，实现了自发参量下转换的路径纠缠光子对[67]。之后，他们使用类似的结构和方法生成光谱非纠缠的双光子态，这在单光子预示方面具有潜力[68]。示意图如图8所示[68]。产生可分离对的关键是满足泵浦、闲频和信号模式的群折射率关系。最后，计算得到的联合相位匹配谱验证了这一假设。

图8. (a) 用于产生光谱非纠缠双光子态的LNPhC波导示意图。泵浦、信号和闲频模式的模场分布分别如图(b)（z=0平面）和图(c)（y=0平面）所示。(d) 泵浦模式的能带图。(e) 信号和闲频模式的能带图。(f) 模式的布洛赫谐波分布。经许可改编自[68]。

然而，这些工作都基于微扰分析或模拟，缺乏相应的实验验证。一旦制备出相关器件并提升表征能力，就能在LNPhC平台上实现更丰富的参量下转换过程。

4.2 传感器

由于大的普克尔斯系数和优异的压电特性[11]，铌酸锂（LN）是构建传感器的绝佳平台。基于LN纳米管[69]、LN微盘[70]和LN波导[71]的高品质传感器已被证实。基于LNPhC的传感器研究始于体材料中的超棱镜[72]。对于基于TF-LNPhC的传感器，其核心依赖于高Q共振峰对环境变化的响应。LN的折射率偏差可通过公式[19]估算：

其中，ne是LN的异常折射率，Ez是电极或压电效应产生的电场，r33是电光系数，f是光场因子。该光场因子可通过公式[73]计算：

上述公式也应用于LNPhC调制器。为获得高品质LNPhC传感器，人们引入了特殊机制。慢光波导因增强光 - 物质相互作用，可用于构建传感器。Lu等人通过实验在TF-LNPhC上设计了慢光波导[19]：该结构支持慢光模式并形成共振峰，且峰值随温度发生漂移。传感器的灵敏度为0.359 nm/°C。基于Fano共振实现了温度传感器，它由未刻蚀二氧化硅层的TF-LNPhC制成，通过LN薄片上导模的叠加产生超棱镜信号与背景信号的干涉来激发Fano共振，灵敏度为0.77 nm/°C；高温下，由于弹性变形，共振波长偏移呈非线性。基于Fano共振的LNPhC电场传感器在模拟中灵敏度为50\ \mu\text{V/m}$$^{[76]}。此后，Qiu等人从理论上构建了作为电场传感器的一维TF-LNPhC，最小可检测电场为23\ \text{mV/m}$$^{[73]}；实验室规模的微加工技术可在超小体积内制备器件，已用于实验性地构建光纤上的LNPhC传感器[77,78]。Ma等人模拟了无损耗LNPhC传感器，其灵敏度为3 pm/°C，并刻蚀TiOX2以补偿LN引起的热效应。连续谱束缚态（BIC）中的本征态表现出大Q因子，这对传感器有益。基于BIC的LNPhC传感器可检测最小25 mV/m的电场[80]。Panda等人使用一维LNPhC模拟了成功的传感器：当LNPhC浸入不同蔗糖浓度时，带隙的上下边缘波长逐渐变化，检测限为2.28×10−4 RIU，灵敏度为1016.35\ \text{nm/RIU}$$^{[81]}。图9展示了部分LNPhC传感器的透射光谱[75,80]。

4.3 电光调制器

电光调制器将电信号转换为光信号，LN一直是构建调制器的优异材料[82,83]。与LN波导调制器相比，LNPhC调制器通常尺寸更小[84]。研究人员探究了退火质子交换（APE） TF-LNPhC和普通TF-LNPhC的电光特性[15]，获得了APE TF-LNPhC在射频下的响应。Lu等人提出基于APE TF-LNPhC的LNPhC调制器，并通过实验获得器件性能参数：电极溅射在LNPhC侧面，射频发生器与其连接[84]。Li等人提出基于LNPhC纳米梁的LNPhC调制器，指出该调制器可用于高速电光开关（如图10所示[30]）：当调制频率远小于腔线宽时，提高驱动功率会略微拓宽传输光谱；当调制频率大于腔线宽时，光子会转换为边带，频率间隔等于调制频率。随后，他们将伪随机二进制序列信号应用于调制器，可观察到清晰的眼图，比特切换能量为22 fJ。

继这些工作之后，研究人员设计了基于无刻蚀LNPhC波导[44]、二氧化硅上的LN纳米梁[85]以及鱼骨光栅[86]的调制器。Deng等人提到，调制效率可以通过一个涉及光模式有效折射率的理论公式来估算[86]。在表2中，我们展示了这些工作的性能参数。

图9. (a) 基于法诺共振的LNPhC传感器的扫描电子显微镜（SEM）图像，(b) 实验装置，(c) 基于法诺共振的LNPhC传感器的实验结果。(d) 连续束缚态（BIC）LNPhC传感器的模拟透射率。图(a)、(b)、(c)经许可改编自[75]，图(d)经许可改编自[80]。

图10. (a) 模式带隙LNPhC调制器的结构，(b) 模式带隙LNPhC调制器的SEM图像及放大后的SEM图像，(c) 电光开关的眼图。经许可改编自[30]。

4.4 光力学

LN具有很高的压电系数。悬浮的LN薄膜可以实现高声学频率和大的品质因数。一维LNPhC纳米梁是研究光力学现象的绝佳平台，也可以被定义为“光力学晶体”[31]。激光波长可以锁定在腔体共振的中间位置，腔体的功率谱可以通过实时光谱分析仪进行监测[57]。研究人员成功地监测了功率谱，其中显示出具有高Q因子的机械模式。观察到了机械激射和高阶谐波振荡。机械激射的要求可以从相互作用哈密顿量中推导出来。当光力学合作达到阈值时，LNPhC开始振荡，并且出现机械激射峰[31]。耦合类型可以通过机械共振的形状来区分。关于LNPhC纳米梁平台上的光力学的研究可以有益于高质量的换能器或致动器[32,33]。其优点在于微波到机械的转换效率显著提高。在图11和表3中，我们展示了LN光力学晶体的最新设计[27,31,33,54]。

在回顾了LNPhC的应用之后，我们可以总结出与其他结构的LN器件相比，LNPhC器件的两个主要优势。一个是更小的模态体积和更小的占地面积。由于能够在亚波长尺度上限制光子，LNPhC器件的尺寸很小，这有利于集成。例如，TF - LNPhC温度传感器的占地面积为25 μm×24 μm[75]，这比直径为50 μm的LN微盘温度传感器小得多[70]。LNPhC的另一个优势是能带工程的能力。这些优点会带来诸如慢光[65]和超棱镜效应[72]之类的多彩物理现象。

表2. 基于TF - LNPhC的调制器的性能参数a。

图11. (a) 悬浮铌酸锂光子晶体（LNPhC）纳米梁的扫描电子显微镜（SEM）图像；(b) 观测到的机械激射现象。改编自文献[31]（经许可）。(c) LNPhC换能器的SEM图像。改编自文献[33]（经许可）。(d) 机械模式的传输谱与功率谱密度变化。改编自文献[54]（经许可）。

表3. 部分前沿实验工作中LNPhC纳米梁的光力学特性。

5. 挑战

尽管LNP hC（铌酸锂光子晶体）的制造工艺多年来已显著改进，但既能蚀刻出高质量孔洞又能兼顾低成本的工艺仍未出现。由于物理和化学特性稳定，传统技术会在孔洞侧壁形成55°–85°的锥形孔。这种锥形孔会降低LNP hC中的光子约束能力（无论其是体结构还是薄片结构）。与硅相比，铌酸锂（LN）的折射率（RI）较小，因此LNP hC通常是自悬浮的，这进一步提高了对蚀刻工艺的要求。Burr等人从理论和实验上指出：在块状LNP hC中，任何深度的锥形孔都难以产生清晰的截止带。锥形孔的能带图表明，它是许多对应不同r/a（孔径/周期比）的能带图的叠加，且带隙难以区分。此外，场分布表明入射光向衬底底部折射，这验证了不存在清晰的带隙[88]。Yavuzçetin等人研究了布拉格光栅的传输特性。这些光栅由处于体铌酸锂（n=2.138）之上的化学抛光（APE）铌酸锂（n=2.148）薄片构成，也能观察到入射光向衬底底部折射的现象[89−91]。对于光子晶体（PhC）薄片，孔洞的非陡峭侧壁会混合横电（TE）和横磁（TM）模式，这也会削弱光子约束[92]。

离子束增强刻蚀（IBEE）技术和无再沉积聚焦离子束（FIB）技术能够刻蚀出侧壁角度为90∘的高质量孔洞，但成本较高。一些无蚀刻的光子晶体基于结构化光刻胶，利用连续谱束缚态（BIC），这要求阵列化孔洞完全相同、排列得当，并通过固定的孔径布置来获得高Q因子。同时，不能引入缺陷。这些要求限制了设计的灵活性。其他无蚀刻的光子晶体需要在非铌酸锂材料上刻蚀孔洞时实现异质集成，该过程可能需要额外的工序。

在表4中，我们展示了薄膜型铌酸锂光子晶体（TF-LNPhC）不同制造工艺的性能对比。

表4. 薄膜型铌酸锂光子晶体（TF - LNPhC）不同制造工艺的比较。

6. 结论与展望

综上所述，本文回顾了薄膜型铌酸锂光子晶体（TF-LNPhC）的制造、表征及应用。如前所述，TF-LNPhC的挑战在于难以制造出非陡峭侧壁这类纳米结构。同时，悬浮的类结构腔的面积和长度受限，导致Q因子较低。最先进的制造技术可能解决这一问题。许多已用于构建铌酸锂微纳结构（不包括LNPhC）在高质量刻蚀铌酸锂（LN）薄片中的孔阵列方面展现出潜力。一个例子是类金刚石碳辅助刻蚀技术[93]。借助等离子体增强化学气相沉积工艺，类金刚石碳掩模被置于LN层上方。通过干法刻蚀，结构被图形化在掩模上。Ar⁺刻蚀过程后，类图形化的刻蚀图案被转移到LN层。刻蚀出的孔具有非常陡峭的侧壁[93]。这种有前景的方法能够大规模刻蚀微结构，且可避免离子辐照。这表明其在制造高质量TF-LNPhC器件方面具有潜力。另一个例子是飞秒激光直写辅助湿法刻蚀技术[47]，该技术在前文已讨论过。这种方法也能规避离子辐照，但尚未应用于TF-LNPhC。一旦制造技术取得突破，精心制造的TF-LNPhC将在色散关系或光子约束方面展现出优异的调控能力。这将成为控制光的通用工具，并加深我们对光-物质相互作用的理解。多年来，基于TF-LNPhC的众多器件被提出，丰富了集成铌酸锂电路的种类。稀土离子掺杂LNPhC的研究仍不普遍，尽管已有研究在开展[34,94]。LNPhC激光器尚未被设计出来，而LN微盘激光器[95,96]和微环激光器[97]最近已被制造。稀土离子掺杂LNPhC的发展也可受益于非厄米LNPhC的出现。由于LN优异的非线性特性，LNPhC在拓扑光子器件中可能展现出潜力，这类器件表现出非线性效应。Yan等人设计了LN波导阵列，并证明了在合成维度中可实现旋转的魏尔点[98]。LNOI（绝缘体上铌酸锂）上的二次谐波产生被用于探测拓扑界面态。未来，基于块状LNPhC[99,100]的光子器件也可能由TF-LNPhC设计。逆向设计是另一个近期热点。将逆向设计与LNPhC腔相结合已成功提升了Q因子[51]。将逆向设计引入其他基于LNPhC的集成器件可能会进一步提升其性能。在实际制造过程中，不同的孔可能表现出不同的侧壁角度，即孔的侧壁角度不是固定值，而是存在波动。一个潜在的解决方案是引入合并的连续谱束缚态（BIC），其对制造缺陷具有免疫性[101]。最后，我们希望本综述能为高质量LNPhC器件的设计提供指导。

来源 芯机甲