铌酸锂超构表面制备及光子学应用
作为三维超构材料的衍生物，具有亚波长厚度的人工超构表面结构能够在紧凑的平台上灵活操纵光与物质的相互作用，有利于多功能、超紧凑光子器件的研发，对于微纳光子学和集成光子学具有重要意义。
铁电晶体铌酸锂（LiNbO3）具有从可见光到中红外波段（0.35μm~5μm）的透明窗口、相对较高的折射率、优异的电光（electro-optic，EO）和二阶非线性光学性能以及出色的声光和压电特性，被誉为“光学硅”。这些独特的性质使铌酸锂成为光子学中应用最广泛的材料之一，是实现高效介电超构表面的理想基底材料。随着近几年来绝缘体上铌酸锂（lithium-niobate-on-insulator，LNOI）薄膜技术以及相关表面微纳制造技术的快速发展，一系列高质量、高性能的铌酸锂片上光子功能性器件得以实现，例如具有超高性能的紧凑型调制器、宽带频率梳、以及高效率的光学频率转换器和单光子源等。其中，铌酸锂片上超构表面结构在非线性光学频率转换、电光调制、光无源等方面的研究取得了巨大进展。
近期，山东大学和南开大学的研究人员组成的团队在《光电工程》期刊上发表了题为“铌酸锂超构表面：制备及光子学应用”的综述论文，本文简要介绍了几种有潜力制备高质量铌酸锂超构表面的微纳加工技术，同时总结了近期铌酸锂超构表面在光频转换、电光调制、光无源等方面的研究进展，并对其在微纳光学领域有发展潜力的研究方向进行了展望。
铌酸锂超构表面的制备
LNOI片上超构表面结构的制备工艺与其它LNOI片上微纳光子学结构（如波导、微腔等）类似。制备过程可以按照有无掩膜的情况加以区分，典型的制备流程如图1所示。有掩膜情况主要分为两种：1）首先利用光刻技术实现光刻胶的图案化，此处光刻胶可以直接作为掩膜，也可以在光刻后沉积一层金属作为掩膜，再结合剥离（lift-off）工艺完成图案化处理；掩膜制备完成后，结合干法刻蚀或者化学机械抛光（chemical-mechanical polishing，CMP）技术去除多余的铌酸锂，完成图案转移；随后进行后处理过程，利用湿法刻蚀去除残留掩膜，实现微纳结构的初步制备。2）在沉积一层金属掩膜后采用飞秒激光烧蚀技术对掩膜进行图案化处理；利用CMP技术实现图案转移；通过后处理过程去除残留掩膜。无掩膜直接刻蚀铌酸锂可以通过聚焦离子束（focused ion beam，FIB）、CMP或者飞秒激光烧蚀技术实现，其中以FIB技术最为常见。此外，对于需要做后处理的微盘腔、纳米梁等特殊结构，可以再结合湿法刻蚀去除底部多余的衬底结构。在制备过程中，CMP也可作为降低表面或侧壁粗糙度的后处理过程。
图1 LNOI片上微纳光子学结构制备的主要流程图：图案化处理；图案转移；后处理过程
在图案转移过程中，相比于其他刻蚀方法，干法刻蚀具有各向异性、可灵活控制刻蚀深度、适于转移复杂二维图案并兼容多层处理等优点，在微纳结构加工中备受青睐，也更适用于超构表面的制备。
研究人员对刻蚀参数（如气体比例、功率等）进行了不断优化，同时采用湿法刻蚀技术去除多余反应物，从而最大限度地增加侧壁光滑度，减少散射损耗。2020年，德国耶拿大学Setzpfandt教授课题组通过采用多步骤反应离子刻蚀技术，制备出具有光滑侧壁的高质量铌酸锂超构表面，在非共振波段该结构的透过率高达97％，详细的制备流程及SEM图如图2所示。相比于氟基刻蚀，Ar+等离子体纯物理刻蚀可以直接从根源上避免LiF的形成，从而实现更优的侧壁光滑度，这也是目前LNOI最常用的干刻方法之一。
图2（a）铌酸锂超构表面SHG示意图；（b）制备工艺流程示意图；
（c）所制备超构表面的SEM图像，其中纳米谐振腔由截断金字塔和下面的残余层组成
除干法刻蚀外，FIB技术作为目前最精确的无掩膜微纳结构加工方法之一，允许制造高纵横比及陡峭侧壁的微纳结构，已应用于许多复杂片上光子器件的制备。由FIB制备的第一个铌酸锂薄膜微谐振腔在2015年被提出，Q值为2.5×105。在制备过程中对飞秒激光烧蚀形成的圆柱连续进行两次FIB铣削，以光滑其粗糙外围，图3显示了FIB铣削前后微谐振腔侧壁的SEM图像。除微谐振腔外，FIB的灵活简便性及其高精度加工特性有助于充分发挥铌酸锂超构表面的潜力，也是目前制备铌酸锂超构表面的常用方法。尽管FIB技术非常适合制造需要高分辨率的结构，但其操作面积通常为百平方微米，无法满足大规模片上光子器件的研制，这也大大限制了其在实际应用中的发展。
图3（a）飞秒激光烧蚀后柱状结构的SEM图像；（b）FIB铣削后圆柱的SEM图像
作为FIB铣削的替代方案，CMP技术不仅摆脱了尺寸限制，而且能够作为后处理过程，显著改善片上光学结构表面和侧壁的粗糙度，降低结构的散射损耗，从而成为在铌酸锂薄膜上加工超构表面的另一种有力备选方案。2017年，德国弗赖堡大学Buse教授课题组结合紫外光刻与RIE技术制备了微环结构，制备过程如图4（a）所示。在此基础上，采用CMP技术抛光侧壁，使其侧壁粗糙度降低至4nm，Q值>3×106。图4（c）和4（d）显示了CMP前后微环侧壁的放大SEM图像。2021年，华东师范大学程亚教授课题组结合飞秒激光烧蚀与CMP技术，先后成功实现了Q值高达10?（波长为1550nm）的LNOI微盘、微环谐振腔，接近了铌酸锂的本征材料吸收极限，这也是目前文献报道的最高Q值。
图4 采用紫外光刻结合RIE技术制备微环腔，然后用CMP抛光侧壁。（a）制备工艺流程示意图；
（b）微环腔SEM图像；CMP前（c）后（d）微环腔侧壁的放大SEM图像
铌酸锂超构表面的应用
非线性光学频率转换
二次谐波产生（Second harmonic generation，SHG）是最常见也是最简单的非线性光学效应之一。在利用LNOI实现SHG的探索研究过程中，III?V半导体材料GaAs和AlGaAs因其较大的二阶非线性光学系数受到广泛关注，成为研究非线性光学超构表面的理想材料。然而，这些半导体材料在可见光波段具有很高的光学吸收，其可见光SHG转换效率很低。与之相比，铌酸锂具有较宽的带隙和较高的二阶非线性光学系数，能够在紫外到中红外的宽波段范围内实现多种高效的非线性效应，包括SHG效应。
在对单个谐振腔SHG研究的基础上，为进一步提高转换效率，研究人员开始致力于对谐振腔阵列即超构表面结构的研究。2020年，德国耶拿大学Setzpfandt教授课题组结合EBL和IBE技术，制备出由铌酸锂截断金字塔阵列构成的共振超构表面，该器件在1550nm波长处表现出较强的Mie共振模式。利用铌酸锂较大的对角二阶非线性极化率张量，在垂直于超构表面的方向上观察到增强的SHG。此外，通过分析非线性极化率张量的不同元素对总二次谐波信号的贡献，发现d33在其中起主要作用，为有效利用d33需使泵浦光沿晶体光轴方向入射，实验测得这种由电贡献主导的共振模式所产生的最大SHG转换效率可达10-6。2021年，许京军教授课题组进一步利用FIB铣削技术研制了铌酸锂纳米光栅超构表面结构，并实现了在可见光范围内的可调SHG特性。图5（a）给出了非线性铌酸锂超构表面SHG的原理图，并在插图中展示了所制备的超构表面截面的典型SEM图像。通过调整几何参数从而调整超构表面的共振来选择性地提高不同波长的SHG效率，在强度为2.05GWcm?2的s偏振光泵浦下，SHG转换效率约为2×10-6，为未加工的薄膜区域的两倍，如图5（b）所示。
图5（a）非线性铌酸锂超构表面的SHG示意图。左下插图为D=600nm的超构表面截面的典型SEM图像，
右下插图显示了研究中使用的铌酸锂薄膜的测量二阶极化率；（b）超构表面SHG效率的光谱依赖性
2021年，德国耶拿大学Chekhova教授课题组制备出在信号和空闲光子频率处具备基本电磁共振的铌酸锂截断金字塔阵列超构表面，利用该结构进行自发参量下转换（spontaneous parametric downconversion，SPDC）过程的原理如图6（a）所示。通过测量来自超构表面的SPDC光谱（如图6（b）所示）发现，在共振频率附近的窄带宽内，光子对生成率相比于未加工的薄膜区域提高了两个数量级（130倍）。实验结果还证明，发射光子对的光谱宽度可以通过电共振波长与SPDC简并波长之间的失谐来控制。该结构使纠缠光子的平面光学源成为可能，并有望成为一种新的有前途的量子光学实验平台。
图6（a）铌酸锂超构表面的SPDC：泵浦光从基板侧入射，光子对在反射中收集。泵浦和SPDC光子都沿铌酸锂光轴z偏振；
（b）从量子光学超构表面测量的SPDC光谱。灰色星显示来自未图案化铌酸锂薄膜的SPDC光谱
电光调制
在过去的几十年中，超构表面在光场调控领域展现出了非凡能力。但目前的超构表面在本质上大多是静态的，其光学特性在制造过程结束后就被固定下来。对超构表面特性进行调制可以为光场调控提供新的机会，从而促进向动态光学器件的过渡。因此，超构表面特性的动态调控一直是研究的热点，许多不同的动态调谐机制也已经趋于成熟，例如光泵浦、热加热、化学反应和电刺激。在所有这些调控机制中，电场调控技术因有望将超构表面与其它片上光电器件集成而引起了人们的广泛关注。
铌酸锂晶体具有较宽的透明窗口（0.35μm~5μm），较高的折射率（765nm处n0=2.26）以及优异的电光系数（r33=34pm/V），在电光调制研究方面具有广泛的应用。迄今为止，LNOI已经成为超紧凑光子器件的一个有前途的平台，包括电光调制器在内的各种高质量、高性能的功能性器件被成功演示。得益于LNOI的结构优势（铌酸锂薄膜和衬底（如SiO2）之间的大折射率对比度），光学模式被紧密限制在纳米厚度的铌酸锂层内，从而进一步提高了电光调制效率。通过使用不同的LNOI微结构，如马赫-曾德尔干涉波导、光子晶体、微环或微盘等，具有数十到数百GHz调制速度的各种片上EO调制器单元已经得以实现。
2020年，苏黎世联邦理工学院Grange教授课题组展示了具有高效EO调制性能的铌酸锂周期阵列的初步设计。2021年Grange教授课题组通过ICP-RIE技术制备出由线性EO效应调谐的铌酸锂纳米柱阵列超构表面。该超构表面由两侧的金电极驱动，其示意图和SEM图像如图7（a）所示。图7（b）展示了驱动电压为2VPP时不同波长下的透射谱及调制增强因子，结果表明EO调制幅度与波长有关，同时在超构表面的光共振处观察到透射光的调制强度增强了80倍，与未加工的薄膜区域相比增强了两个数量级，这也是迄今为止最快和最强的EO调制超构表面。这一概念证明工作向使用铌酸锂超构表面进行自由空间调制迈出了重要的第一步。
图7（a）由金电极驱动的超构表面结构。左下插图为超构表面柱结构的SEM图像，
右下插图显示了电极（黄色）之间几个超构表面（紫色）的伪色SEM；
（b）半径为135nm、周期为500nm的超构表面的透射率（蓝色线），
橙色线表示2VPP和180kHz的交流电压下的调制增强（定义为超构表面的调制幅度除以未图案化区域的调制幅度）
光无源功能
在LNOI片上光学器件中，非线性相位匹配条件通常是通过双折射或铁电畴的周期性反转来实现的。然而，这两者都需要额外的色散调控，并且通常是窄带的。例如SHG的转换带宽通常在10nm以内，而SPDC的带宽虽然可以通过设计不同的波导长度达到100nm以上，但在实际应用方面仍然有很大的局限性。针对这一局限性，在LNOI集成光子学中引入由周期性分布的纳米天线组成的光学超构表面结构，可以规避相位匹配要求。其基本方案是在片内波导的顶部表面绘制一个梯度超构表面结构，如图8（a）所示。通过合理设计天线阵列和波导结构，可以任意控制波导内的光传播，从而实现非完美的相位匹配条件。这种方案支持TE和TM偏振的光学元件，在非线性光学研究中具有显著优势。图8（b）显示了基于超构表面的非线性集成光子器件的工作原理，在被超构表面图案化的波导区域中，光功率首先从泵浦频率下的基模TE00(ω)耦合到SH频率下的基模TE00(2ω)，然后在梯度超构表面的帮助下耦合到SH频率下的高阶波导模式TEmn(2ω)和TMmn(2ω)。
图8（a）集成梯度超构表面的LiNbO3片上脊波导，用于实现无相位匹配的二次谐波产生;
（b）基于超构表面无相位匹配的二次谐波产生原理图
除波前调控外，铌酸锂超构表面在光无源方面的应用还体现在灵活分束和高灵敏传感上。2018年，许京军教授课题组报道了一种基于梯度超构表面的可见光和近红外光分束器。该超构表面由两排圆柱体组成，它们显示出相反方向的相位梯度，从而将传输的光束折射到两个方向。此外，该分束器的分流比可以通过有选择性地调整某排铌酸锂圆柱体的损耗水平来进行灵活调节。基于此，纳米级尺寸分束器可广泛应用于制造小型光子器件，如微型干涉仪、集成光学电路的多路复用器等。随后，该课题组在负载SiO2的铌酸锂波导上设计了微棒阵列超构表面的复合结构，展示了其作为太赫兹传感通用设计的潜力。片上局域表面等离子体的近场耦合可以使表面波模式的约束更强，沿波导的相互作用长度更长，这将有效地增加分子吸收，从而能够检测到薄乳糖层。当固有特征频率为0.529THz且乳糖层较薄时，透射光谱的选择性显著，与正常通过相同厚度的乳糖层透射太赫兹波时相比透射光谱强度增强了20倍。实验与模拟结果均表明，该结构可以作为一种高灵敏度片上太赫兹传感器，用于微量物质的检测。
总结与展望
本文综述了LNOI薄膜片上光子学器件—铌酸锂超构表面的最新研究进展，包括有潜力的制备方案以及铌酸锂超构表面在光频转换、电光调制、光无源等方面的应用现状。随着近年来晶圆级、高质量的LNOI薄膜制造技术的突破，基于LNOI薄膜的微纳光学和集成光子学正处于快速发展阶段。各种高性能铌酸锂光子学器件的应用已经不仅限于线性和非线性光学，甚至已经扩展到量子光学、腔电光学和压电光机械等新兴领域。众多研究结果证明，铌酸锂超构表面有利于制造具有高灵活性的超紧凑光子器件，同时展现出优异的光学功能。在非线性光学领域，铌酸锂超构表面的应用不仅限于谐波与光子对产生，也有望应用于其它非线性过程，如四波混频、和频产生、参数下转换等，在生物传感、量子光通信等领域都具有广泛的应用前景。在电光调制领域，未来更多的工作应致力于将器件调制范围扩展到GHz范围内，以及通过优化设计达到更好的电场和光场重叠或更高的Q因子共振，实现电光调制幅度的更强增强，从而为空间光调制器在波前调控、脉冲整形、偏振控制等领域的发展奠定坚实基础。此外，超构表面与铌酸锂波导的耦合体系也有望实现高效耦合器、分束器、传感器等多种光无源功能器件。总之，基于超构表面对光的灵活操纵特性及铌酸锂独特的材料性质，铌酸锂超构表面结构在未来具有巨大的应用潜力。
本研究获得了国家自然科学基金资助项目（2019YFA0705000， 12134009）、山东省自然科学基金资助项目（ZR2021ZD02，2022HWYQ-047）、山东省泰山学者计划（tsqn201909041，tspd20210303）、山东大学齐鲁青年学者计划的支持。
