薄膜铌酸锂微环谐振器中的光折变和热释电效应研究

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引言
* y. X$ _' H" \+ s% r9 m0 W铌酸锂作为一种重要的光电材料，自1949年被发现以来，因其优异的光学性质广受关注。本文将详细介绍铌酸锂薄膜微环谐振器中的光折变和热释电效应，探讨这些效应在光存储和稳定性方面的应用[1]。

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: }: Y4 I$ |0 X2 f3 M& s+ ~基本原理介绍
铌酸锂具有显著的电光系数和二阶、三阶光学非线性特性。低损耗铌酸锂薄膜器件的研发使得高性能光子线路的小型化成为现实。这些器件在频率变换、电光调制和声光调制等方面表现出优异的性能。

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$ B$ u  c; _" t. d图1：展示了铌酸锂薄膜光子器件的稳定性挑战，包括：(a)光折射率变化对传输的影响，(b)光折变效应机理，(c)热释电效应示意，以及(d)内建电场的形成过程。

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器件结构与表征
; R6 _1 q+ [; N: e3 N9 A* G研究中使用的铌酸锂薄膜器件是在600纳米厚的铌酸锂晶圆上制作而成。波导结构具有350纳米的刻蚀深度，顶部宽度为1.5微米，弯曲半径为80微米，这些参数的精确控制确保了器件的最佳性能。
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图2：器件表征结果，展示了(a)微环谐振器的横截面示意图和扫描电镜图像，(b)传输谱线显示品质因数达到330万。
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光折变效应与光存储
% L6 f0 F0 E& p9 b铌酸锂薄膜微环谐振器中的光折变效应为实现光存储提供了技术基础。当光激发使电子从杂质能级跃迁到导带时，会在材料中形成内建电场。

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5 s$ ]* O1 g+ u! o图3：光折变效应的表征结果，包括(a)测量示意图，(b)多次扫描过程中的谐振蓝移，(c)波长偏移与扫描次数/功率的线性关系，以及(d)运行过程中品质因数的稳定性。

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- y) J- |5 r) I5 v" K3 H# u  X# J% Z长期稳定性与存储特性
铌酸锂薄膜微环谐振器能够长期保持折射率的变化，这一特性使其在光存储和谐振频率微调方面具有独特优势。

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) i" Q7 N0 [* n图4：展示了(a)通过光折变效应实现的光学谐振调谐，以及(b)20小时内的时间动态特性，其中前10分钟变化较快。
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+ J0 W# }$ m& S9 z热释电效应研究
8 W" V1 |$ Y/ B5 I% |7 f* |6 G温度变化会引起铌酸锂材料中自发极化的改变，这种热释电效应为调控光学性质提供了另一种方法。
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# `+ {5 q  F' l图5：热释电效应的表征结果，显示了(a)温度变化下的谐振位移，(b)不同阶段的传输谱，(c)不同温度脉冲下的时间动态特性，以及(d)10小时内的长期弛豫过程。

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应用前景
7 x" {; J) k# K, C$ q( R- z铌酸锂薄膜微环谐振器的这些特性在光计算和数据存储领域具有实用价值。光折变和热释电效应的稳定性和可控性使其在精密光学测量、频率变换和光量子技术系统中有良好的应用潜力。
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! P, ^9 i+ c2 A! l$ i4 }这项技术通过后期调节可以克服制造过程中的不均匀性，有助于提高大规模光子线路中器件的一致性。长期稳定性的特点也使这类器件适合需要长时间持续运行的应用场景。

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: e) e' M" o+ ^" B3 j( Z3 K结论
薄膜铌酸锂微环谐振器中的光折变和热释电效应展现出独特的物理特性。深入理解和控制这些效应有助于开发可靠、高效的光学系统。研究表明，这些器件在光计算和通信应用方面具有实用价值，同时也推动了器件设计和控制方法的技术创新。

) e0 y4 M# E3 C: J参考文献
2 U9 k9 d! _& {1 Q) T[1] X. Ren, C.-H. Lee, K. Xue, S. Ou, Y. Yu, Z. Chen, and M. Yu, "Photorefractive and pyroelectric photonic memory and long-term stability in thin-film lithium niobate microresonators," npj Nanophotonics, vol. 2, no. 1, pp. 1-6, 2025, doi: 10.1038/s44310-024-00052-3.
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