近期，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）集成光子学和应用中心主任Arnan Mitchell教授与阿德莱德大学（University of Adelaide） Andy Boes 博士带领的国际联合研究团队发现，由铌酸锂制成的超薄芯片将在光基技术上超过硅片，其潜在的应用范围非常广，比如在地球上可用于远程水果成熟度检测，月球上可用于导航。

 

图 在铌酸锂薄膜上制成的超薄芯片，尺寸只有指甲大小

 

       研究人员表示，由于铌酸锂卓越的性能和加工工艺的进步，为光基技术的发展提供了更多可选择的平台。该国际联合研究团队中还包括来自北京大学和哈佛大学的的科研人员，他们正与工业界合作制造导航系统，计划在几年后将其装备在月球探月车上。因为在月球上无法使用全球定位系统 (GPS) 系统，该团队的创新之处就是为导航系统提供了全新的可替代方案。研究人员表示，通过检测激光的微小变化，铌酸锂芯片可用于测量运动数据而无需外部信号。

 

       Mitchell解释称，这不是科幻小说，科学家们正在使用铌酸锂研发一系列令人兴奋的应用，其应用价值在快速增加。他补充道，虽然月球导航装置仍处于开发的早期阶段，但铌酸锂芯片技术已经足够成熟，可以用于太空应用。研究团队相信铌酸锂芯片技术也足够灵活，可以快速适应几乎所有基于光的应用。虽然该团队目前专注于月球导航，但同样的技术也可用于将月球上的互联网连接到地球上的互联网。”

 

       据了解，铌酸锂是一种人造晶体，于1949年首次被发现，近年来随着科学家们寻找硅基芯片的替代品，它又“重新流行起来”。与其他材料不同，铌酸锂可以在从微波到紫外线频率的全光谱范围内产生和操纵电磁波，因此在光子学领域有新用途。Andy Boes 博士表示，尽管硅是电子电路的首选材料，但它的局限性在光子学中越来越明显。铌酸锂其卓越的性能而重新流行起来，而加工制造工艺的进步意味着它现在可以作为半导体晶片上的薄膜使用。

 

       将厚度仅有头发丝一千分之一的铌酸锂薄膜沉积到半导体晶圆上，然后通过光刻工艺将光子电路加工到铌酸锂上，具体的光路设计是根据芯片的预期用途量身定制的。一个指甲盖大小的芯片可能包含数百个不同的电路。

 

       Mitchell称，该团队正在与澳大利亚公司 Advanced Navigation 合作制造光学陀螺仪，它是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。根据爱因斯坦的相对论，当线圈移动时，光导纤维在一个方向上比另一个方向略短。研究团队认为他们设计的铌酸锂光子芯片足够灵敏，可以测量这种微小的差异，并用它来确定线圈的移动方式。如果你能跟踪你的动作，那么你就会知道你相对于你开始的位置，这就是惯性导航。

 

       谈到其他潜在应用，Mitchell指出，该技术还可用于远程水果成熟度检测。他解释道，成熟果实释放的气体会被光谱中红外部分的光吸收，这样在果园中盘旋的无人机会将光传输给另一架无人机，后者将会通过感知光被吸收的程度判断水果合适的采摘时间。而且这款微芯片技术比目前的技术尺寸更小、价格更低、准确度更高，可以与非常小的无人机一起搭配使用，且不会损伤果树。

 

       研究团队相信，澳大利亚有望成为全球制造铌酸锂集成光子芯片的中心，这将对那些使用光谱各个部分的技术应用产生重大影响。他们认为光子芯片在未来可以改变除光纤通信以外的各个光学行业。

 

       该成果以“ Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum”为题发表在 Science 上（  DOI: 10.1126/science.abj4396 ）。

 

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