论文信息：

包芸嘉, 郭瑞强, 张翼飞, 陈昆峰, 薛冬峰 . 铌酸锂晶体的光学特性与量子光学应用(特邀，封面文章)[J]. 量子电子学报, 2026, 43(5): 669-689.

BAO Yunjia , GUO Ruiqiang , ZHANG Yifei , CHEN Kunfeng , XUE Dongfeng . Optical properties of lithium niobate crystals and their applications in quantum optics(Invited, Cover Paper）[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2026, 43(5): 669-689

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http://lk.hfcas.ac.cn/CN/10.3969/j.issn.1007-5461.2026.05.001

铌酸锂（LiNbO₃，LN）凭借高二阶非线性、电光系数和宽透明窗口成为集成量子光学的重要平台，但高硬度脆性导致的加工缺陷、界面损耗及可扩展性不足仍制约其大规模应用。本文聚焦绝缘体上铌酸锂（LNOI）在量子光学中的进展，系统解析色散工程、级联非线性与模式相位匹配等策略，并总结高亮度SPDC、宽带克尔频率梳及反向极化双层TFLN赛道微环倍频等前沿方案。通过TFLN/LPLN波导与微环结构，实现电信S/C/L波段高效光子对产生、30 GHz且超过400 nm带宽频率梳和30%倍频效率，为片上集成量子光源与可扩展量子光路提供新的技术路径。

铌酸锂（LiNbO3, LN）晶体凭借优异的二阶非线性系数、电光系数及宽透明窗口，长期以来是非线性光学与集成光子学的核心平台。随着绝缘体上铌酸锂（LNOI）技术的发展，LN在微纳尺度下的光场调控与非线性转换能力得到显著增强，为量子光源的小型化、片上集成及量子通信网络的构建提供了关键支撑。然而，LN晶体的高硬度与脆性导致的加工缺陷、界面损耗及器件可扩展性等问题仍是制约其大规模应用的技术瓶颈。本文系统梳理了LN晶体的非线性光学、电光、光折变及光伏效应等基本光学特性，重点讨论了其在量子光学领域的应用现状；通过分析色散工程、级联非线性过程及模式相位匹配等策略，揭示了LNOI微腔与波导中高效光子对产生、宽带频率梳生成及低损耗光传输的物理机制，并探讨了低温环境下自发参量下转换（SPDC）源的性能表现与微纳加工技术的优化方向。

量子光学领域的应用进展

（1）SPDC是产生纠缠光子对的核心非线性过程。LN晶体凭借其高二阶非线性系数，在周期性极化LN（PPLN）波导中通过准相位匹配可高效生成Type-0、Type-I和Type-II等多种类型纠缠光子对。在薄膜LN（TFLN）波导中，加州理工学院实现了720~900 nm波段的SPDC，光子对产生率达（2.3±0.5）×1011 pairs/s/mW 。新加坡国立大学和新加坡科技研究局的朱迪教授团队研发了一种层极化LN（LPLN）纳米光子波导，在LN波导的垂直方向上通过电脉冲极化形成层级反转极化区域，结合模式相位匹配，可显著提高非线性模式重叠度，进而极大地增强了非线性相互作用。实验实现了归一化光子对亮度达3.1×106 Hz·nm-1·mW-2，在电信S、C、L波段（1486 nm至1625 nm）全波段覆盖，性能超越同配置现有片上光源（基于连续波电信泵浦的纳米光子波导光子对源），且对几何变化与温度波动的敏感性更低。

图1 (a) x-cut TFLN中层极化LN波导横截面示意图; (b) 用于生成光子对的级联SHG-SPDC; (c) 在设计泵浦波长和SPDC中心波长处，基模准TE模式的场分布及波导几何结构; (d) 测量PPLN波导中产生的SPDC光子的实验装置

（2）LN平台在光学频率梳产生方面同样展现出巨大潜力。Rebecca Cheng等人利用片上电光调制器生成可调谐飞秒脉冲，经色散压缩后同步泵浦一个色散工程化的高Q值TFLN微环谐振器，基于三阶非线性极化率χ(3)四波混频过程，实现了重复频率为30 GHz、带宽超过400 nm（共1400条梳齿，覆盖超过2/5个倍频程）的克尔频率梳，泵浦至光梳的转换效率超过10%。该工作还通过脉冲泵浦有效抑制了TFLN中常见的受激拉曼散射，为精密光谱学、量子信息处理和光学时钟等应用提供了片上集成的可行方案。

图2 脉冲与频率梳生成的时频域概念图。(a) 连续波（CW）方案; (b) 脉冲生成与同步泵浦方案

（3）在反向极化（RP）双层X切TFLN平台上，南开大学薄方团队设计并制备了滑轮波导耦合的赛道型微环谐振器。该器件无需制备周期性极化微结构，在接近临界耦合及基频、倍频双谐振条件下，测得其本征品质因子高于9.4×10⁵。在弱泵浦（6.3 μW）下，归一化二次谐波转换效率达3.9×105% W⁻1；通过耦合模理论拟合，在极弱泵浦条件下归一化效率可达4.4×105% W⁻¹。当泵浦功率增至600 μW时，绝对转换效率达30%，其性能接近制备工艺复杂的PPLN微环谐振器。

图3 双层TFLN赛道谐振器的设计与表征。(a) 典型TFLN赛道环整体结构的SEM图像; (b) 滑轮波导与谐振器耦合区域SEM图像；(c) 赛道型RP双层谐振器直臂横截面示意图

本文系统总结了LN晶体在量子光学领域的基础特性与器件进展，明确了LNOI平台在集成量子光路中的核心地位。当前技术瓶颈主要集中在加工缺陷导致的高散射损耗、介电弛豫效应导致的LNOI电光器件偏置漂移以及异质集成中的界面热膨胀系数失配与晶格失配等问题。未来研究可围绕新型掺杂与复合材料体系、高精度数值优化方法、全功能片上集成架构及压缩光源与引力波探测集成等方向展开，以进一步推动LN基量子光学器件向实用化、规模化发展。

团队介绍

山东大学新一代半导体材料研究院压电异质集成器件团队面向声光电多功能集成与量子信息技术的重大需求，长期深耕于压电单晶薄膜制备、异质集成工艺与高性能声光电器件的研究与攻关。团队聚焦多尺度晶体材料生长、压电薄膜声波器件设计及单晶材料-器件构效关系研究，构建了覆盖材料可控制备、微纳加工、器件表征与系统集成的技术体系。团队在铌酸锂/钽酸锂薄膜异质集成、晶体生长工艺优化及高性能声学滤波器等方向取得了系列研究成果。团队承担了国家自然科学基金、山东省自然科学基金重大基础研究、山东省重大科技创新工程等多项科研项目。