五度妙笔
API商城
数据库Optica | 法拉第笼效应赋能薄膜铌酸锂高精度畴工程
Banner本文由论文作者团队投稿
导读
随着人工智能、光通信、量子信息和智能感知等前沿技术快速发展，高性能集成光子芯片已成为全球科技竞争的重要方向。作为新一代集成光子平台代表材料，薄膜铌酸锂（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）兼具优异电光效应、宽透明窗口、低传输损耗及强二阶非线性等优势，在高速调制、频率转换、量子光源和微波光子学等领域展现出巨大潜力。
其中，基于二阶非线性效应的片上频率转换器件，如倍频、和频、差频以及量子光子源，是薄膜铌酸锂平台最具代表性的核心功能器件之一。而实现高效率非线性光学相互作用的关键，在于严格满足相位匹配条件。在薄膜铌酸锂微纳波导中，由于光场强约束、器件尺寸微缩以及模式高度离散化，使得传统相位匹配设计对结构参数与工艺误差极为敏感，表现出设计窗口窄、稳定性不足以及器件重复性受限等问题。进一步而言，在强外加电场作用下，铁电畴翻转区域的扩张速度非常快，从而给高精度畴工程调控带来显著挑战。
针对这一难题，受法拉第笼屏蔽效应启发，中山大学研究团队提出了一种基于纳米法拉第笼结构的精准畴工程新方法。研究团队通过引入纳米金属屏蔽结构，对极化电场进行空间重构，使屏蔽区域内电场强度低于材料矫顽电场，而非屏蔽区域电场强度高于矫顽电场，从而实现薄膜铌酸锂局域畴结构的高精度可编程调控。该方法无需依赖复杂的原位监测或实时反馈控制，即可获得稳定、可重复的畴结构制备，显著提升了器件设计容差与工艺鲁棒性。
相关成果以 “Precise and robust domain engineering based on the Faraday cage effect for thin-film lithium niobate photonics” 为题发表于Optica。中山大学电子与信息工程学院（微电子学院）的博士生王艳群为论文的第一作者，林忠劲副教授和蔡鑫伦教授为论文的共同通讯作者。
铌酸锂是一种典型铁电晶体，其内部自发极化方向可以在外加电场作用下翻转，形成不同极化方向的区域，即“畴（domain）”。通过人为设计这些畴的空间排布，从而补偿非线性光学过程中的相位失配，这就是“畴工程”。高质量畴工程是实现高效率倍频器、光参量振荡器、纠缠光子源、量子频率接口等器件的关键技术。随着器件尺寸向微纳尺度发展，如何在薄膜平台上实现高精度、可重复的畴调控，已成为国际研究热点。
一、法拉第笼效应实现局域畴结构精准调控
该团队提出的基于法拉第笼效应的畴结构精准调控机理如图1所示。根据目标畴结构设计，在上下极化电极之间引入具有特定图案的纳米法拉第笼金属结构。当在电极间施加外加电压时，在纳米金属结构的屏蔽作用下，其下方区域的局域电场被显著削弱，其强度低于材料矫顽电场；而在未被屏蔽的区域，电场强度则高于矫顽电场，从而触发畴反转。通过这种空间选择性的电场分布调控，可以实现铁电畴的“按图编程”式精确构筑，使畴极化与未极化区域严格遵循纳米法拉第笼结构的几何图案分布，从而实现对薄膜铌酸锂局域畴结构的高精度、可设计化调控。
图1：（a）基于法拉第笼效应的畴极化极化结构示意图。（b）和（c）分别为在强电场的作用下畴结构和电场分布截面示意图。（d）移除表面金属后，畴结构的分布示意图。
图源：Optica
二、为模式相位匹配提供新的调控自由度
为验证所提出方法在复杂畴结构调控中的可行性与精确性，研究团队进一步设计并首次实现了一种满足 TE00 模式与 TE20 模式之间相位匹配的薄膜铌酸锂波导结构，如图2所示。该结构要求波导中心约 400 纳米宽的区域保持原有铁电极化方向，而两侧区域发生畴翻转，从而形成特殊的横向畴分布，以满足特定模式间的非线性耦合条件。这类兼具亚微米尺度特征尺寸和复杂横向畴分布的结构，采用现有报道的极化方法难以实现。相比之下，该团队提出的纳米法拉第笼方案展现出显著优势：通过设置一条 400 纳米宽金属条，即可直接定义中心非极化区域，其余区域则在外加电场作用下完成畴翻转，从而高精度实现目标畴结构。这一结果充分验证了该方法在纳米尺度复杂畴工程中的独特能力，也为新型模式相位匹配器件设计开辟了新的技术路径。
图2：（a）满足TE00模式和TE20模式之间相位匹配的波导畴结构示意图。（b）制备该畴结构所需的纳米法拉第笼图案示意图。（c）极化过程中的三维电场分布图。
图源：Optica
在非线性光学过程中，不同频率光波在传播中需保持相位同步，才能持续高效地进行能量转换，这被称为“相位匹配”。
在薄膜铌酸锂集成波导中，由于波导结构具有丰富横向模式，可以通过设计不同模式在不同波长下具有相同传播常数，从而实现频率转换，这种方法称为模式相位匹配。例如，让基频光工作在基模，而倍频光工作在高阶模式，即可满足相位匹配条件。
三、提升薄膜铌酸锂非线性器件制造鲁棒性
现有报道的极化方法通常依赖复杂的原位监测或实时反馈机制，以精确控制外加电场的施加时长。这是因为在强电场驱动下，畴翻转区域往往会快速扩展，若不能及时撤去外加电场，极易造成畴结构过度生长或形貌失控，从而难以获得预期的精细畴分布。如图3所示，研究团队提出的纳米法拉第笼调控方法表现出优异的工艺容差特性。在较宽的电场施加时间范围内，所得畴结构分布基本保持稳定，不随极化时间变化而发生明显扩展或畸变。这意味着该方法无需依赖高精度时间控制或复杂反馈系统，即可稳定制备目标畴结构，从而显著提升薄膜铌酸锂非线性器件制造的工艺鲁棒性与可重复性。进一步地，研究团队测量了不同极化时间条件下所制备波导器件的倍频转换效率。实验结果表明，该方法不仅实现了突破现有纪录的高倍频转换性能，同时在较宽工艺窗口内仍可保持稳定器件表现，充分证明了其在兼顾极致性能与制造鲁棒性方面的独特优势。
图3：（a）畴结构随施加电场脉冲个数（即极化时间）变化的PAFM图。（b）极化面积随施加电场脉冲个数的变化曲线图。（c）和（d）不同极化时间条件下所制备波导器件的倍频转换效率测量结果。
图源：Optica
随着量子信息、6G通信和人工智能基础设施持续发展，高效率、低功耗、可量产的非线性光子芯片需求日益增长。此次中山大学团队发表于 Optica 的研究成果，为薄膜铌酸锂模式相位匹配器件提供了新的高鲁棒实现路径，也展现了我国在先进光子芯片核心工艺领域的持续创新实力。
论文信息
Yanqun Wang, Furong Zhong, Lin Liu, Yuntao Zhu, Jinyi Wang, Zhongjin Lin, and Xinlun Cai, "Precise and robust domain engineering based on the Faraday cage effect for thin-film lithium niobate photonics," Optica 13, 835-840 (2026).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.588968
编辑：赵唯
审核：赵阳
