在居里温度以上，ＬＮ晶体处于顺电相（ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃｐｈａｓｅ）状态，ＬＮ的晶体结构可以看作是由一系列的氧八面体和共三角氧平面组成，其中公共面与氧八面体的三重对称轴垂直，特点是三次旋转对称和镜像平面对称，ＬＮ晶体的铌离子位于氧八面体的中心，上下毗邻中间为锂离子的共三角氧平面，如图２所示。
图２?铌酸锂的晶体结构
当处于居里温度以下也就是自然状态下时，ＬＮ晶体处于铁电相（ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｈａｓｅ），锂离子和铌离子会沿着氧八面体的三重对称轴的方向发生位移，铌离子偏离了氧八面体的中心，而锂离子偏离了氧八面体的公共面，就产生了沿着ｃ轴的电偶极矩，产生自发极化现象。同时，ＬＮ晶体结构中缺少锂原子，从而在晶体中产生了大量的缺陷结构，这些缺陷结构对ＬＮ晶体性能产生了巨大影响，同时也是ＬＮ晶体性能可调控性极强的主要原因。ＬＮ具有非常丰富的物理特性，包括有非线性效应、电光效应、热释电效应和压电效应等，如图３所示。其中非线性效应和电光效应可以用于实现对光的振幅、相位、频率及传输方向的高速调控，热释电效应则应用于各种传感器中，而压电效应可以实现机械能和电能的相互转化，丰富的物理性质使得ＬＮ具备成为新一代集成光子学晶体的潜力。
图３?铌酸锂的物理特性
1)光电导效应光电导效应是指当光照射到材料表面时，材料的电导率会发生改变的现象。对于典型的光电探测器来说，两端的金属电极和半导体材料结合分别作为源漏电极，当有光照射在材料上时，能量大于半导体带隙宽度的光子被材料吸收，导致材料中产生非平衡的电子空穴对，此时在源极和漏极加上偏压Vds，就能够定向分离自由电子和空穴，使得沟道中的电流增加，如图４（ａ）所示，即产生光电流Iph。
图４?光电探测器工作原理
4)光辐射热效应光辐射热效应是指材料在受到光照时，整体被均匀加热，从而引起材料电阻的变化。光辐射热探测器的灵敏度由热阻决定，在一定入射光功率下变化的温度越大探测器越灵敏。基于光辐射热效应的光电探测器可以探测到毫米波范围，满足中红外和远红外波段的光探测。已有研究报道基于光辐射热效应的Bi2O2Se光电探测器能实现高的电阻温度系数和辐射热系数，以及构建人工突触型光电子器件。
1)光响应度光响应度
（Ｒ）是衡量光电探测器效率的物理量，反映了其将入射光能转化为电能的效率，是光电探测器的重要参数之一，计算公式为：
式中：ｅ是电子电荷常数（1.6×10-19C），Idark为暗电流。3)外量子效率外量子效率（ＥＱＥ）是用于评估光电探测器的光电转换效率的重要指标之一，体现了其将吸收的光能转化为电流或电荷的能力，计算公式为：
式中：ｈ为普朗克常量（6.626×10-34j.s），ｃ为光速（3×10-8m/s），λ为入射光的波长。
式中：ｆ１和ｆ２分别为信号强度下降３ｄＢ的起始频率和终止频率。
2.1光波导集成型光电探测器
表１ＬＮ波导集成型光电探测器
２０１９年，来自哈佛大学的Ｄｅｓｉａｔｏｖ等实现了在可见光波长范围内ＴＦＬＮ集成非晶硅（ａＳｉ）光电探测器。在他们的工作里，介绍了非晶硅Ａｕ光电探测器的设计、制造、集成和实验表征，这种探测器由沉积在ＬＮ波导顶部的一层薄薄的非晶硅组成，顶部有一对金电极。沿ＬＮ波导传播的可见波长的光子被非晶硅层吸收，生成的电子空穴对被金属半导体和金属之间的结上施加的电压分开，从而产生光电流。该探测器在６３５～８５０ｎｍ波长范围内的宽光学带宽上具有２２～３７ｍＡ／Ｗ的响应度。
２０２２年，来自中山大学的Ｚｈａｎｇ等在绝缘体上铌酸锂（ｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂｉｔｅｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ，ＬＮＯＩ）协同集成了ＩｎＰ发光二极管、光电探测器和光源，由于是基于相同的ＩＩＩＶ族材料实现，只需在ＬＮＯＩ光子集成电路上粘合一个ＩＩＩＶ族外延层堆叠即可实现完全集成的光学系统。波导耦合ＬＥＤ的３ｄＢ带宽为４０ｎｍ。该光电探测器在１５５０ｎｍ波长范围内的响应度为０．３８Ａ／Ｗ，室温下偏压为－０．５Ｖ时的暗电流为９ｎＡ。这种集成方法可以实现ＩＩＩＶｏｎＬＮＯＩ光学系统的晶圆级制造。
２０２３年，来自墨尔本大学的Ｗａｎｇ等成功集成了层状ＢＰ光电导体和ＬＮＯＩ波导，如图５所示，用于在室温下检测１５１０～１６４０ｎｍ的光通信波长，并在低偏置条件（Ｖｄｓ＝０．３Ｖ）下在λ＝１５５０ｎｍ处得到了１４８ｍＡ／Ｗ的高响应度，同时有小于１００ｎｓ的响应速度，如图５所示。此外，ＢＰ和ＬＮ分别提供的宽光谱吸收范围和透明度使得这种组合也适合电信频段以外的应用。
图５?ＢＰ／ＬｉＮｂＯ３波导集成光电探测器
２０２３年，来自北京工业大学的Ｚｈｕ等实现了两种类型的高性能ＬＮＯＩ波导集成二维（ｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，２Ｄ）材料光电探测器，两种材料分别是石墨烯和碲，如图６所示。通过将两种类型的２Ｄ材料与单片制造的ＬＮＯＩ器件集成在一起，展示了一个通用且多功能的ＬＮＯＩ２Ｄ材料光电探测器平台，并且不需要严格的晶格匹配要求。具体来说，ＬＮＯＩ石墨烯光电探测器具有电信和可见波段的宽带吸收和高达４０ＧＨｚ的３ｄＢ光电带宽。而ＬＮＯＩ碲光电探测器由于载流子雪崩效应和光门控效应而具有极高的响应度。此外，文中还提到石墨烯和碲在空气中都具有良好的长期稳定性，并且有可能能够与ＬＮＯＩ平台进行晶圆级集成，即通过转移化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜和碲薄膜实现。
图６?Ｇｒａｐｈｅｎｅ／ＬｉＮｂＯ３和Ｔｅ／ＬｉＮｂＯ３波导集成光电探测器
２０２３年，来自西南交通大学的Ｗｅｉ等提出了一种异构集成在ＴＦＬＮ平台上的ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ改进型单行载流子光电二极管，具有创纪录的１１０ＧＨｚ的３ｄＢ带宽和１５５０ｎｍ波长下０．４Ａ／Ｗ的高响应度，如图７所示。这种器件在晶圆级ＴＦＬＮＩｎＰ异构集成平台上实现，适用于大规模、多功能、高性能的ＴＦＬＮ光子集成电路。该器件已成功应用于四电平脉冲幅度调制数据接收系统，展示了ＴＦＬＮ平台上的光电二极管在下一代高速传输系统中的潜力。
图７ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＬｉＮｂＯ３波导集成光电探测器的响应度
２０２３年，来自深圳技术大学的Ｃｈｅｎ等制备了ＳｎＳｅ２集成ＴＦＬＮ波导光电探测器，它在不同波长的光照射下表现出不同的光响应行为。在１Ｖ的低偏置电压下，ＳｎＳｅ２／ＴＦＬＮ器件在８５０ｎｍ（入射光功率为０．９５ｎＷ）波长处得到了７６１．７８Ａ／Ｗ的正光响应度，这是所报道的２Ｄ材料集成波导光电探测器的最高响应度之一。该器件还在１５５０ｎｍ（入射光功率为５７８ｎＷ）波长处得到了３．１３Ａ／Ｗ的负光响应度，如图８所示。这项研究推进了基于ＴＦＬＮ的片上光电探测器集成领域的发展。
图８ＳｎＳｅ２／ＬｉＮｂＯ３波导集成光电探测器
光电转化实现探测的过程如１．２小节所述通常可分为两类，即光电效应和热效应，前者响应速度较快，但是受到爱因斯坦光电方程的约束对响应波长具有选择性，通常可探测的波段较窄，适用于半导体或者金属等材料。而热效应基于光热电的转化逻辑，对激发波长没有限制，可以实现超宽谱的波段检测，然而由于热效应涉及缓慢的升温和降温过程，响应速度通常较慢。从这里看来，宽波段和高速的响应似乎不可兼得，也是铌酸锂探测器领域的一个研究难点。对于ＬＮ而言，由于其本征的绝缘和弱光吸收特性，基于ＬＮ本身实现高性能的探测看似寸步难行，因此研究人员也在近年来发展了通过将ＬＮ与其他光敏材料进行融合构建异质结器件架构，来实现高性能的光电探测。本文调研了关于异质结型ＬＮ集成光电探测器，如表２所示。
表２ＬＮ异质结型光电探测器
２００８年，Ｈｕａｎｇ等制作了一种基于ＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ３的声波表面探测器，ＺｎＯ／ＬｉＮｂＯ３结构被证明是一种良好的紫外光传感结构，其中块状ＬＮ用于激发表面波，ＺｎＯ覆盖层是感光层。在他们的工作里，模拟结果和实验响应显示出良好的一致性。根据插入损耗差异的测量结果，还可以确定表面声波延迟线的光谱、动态响应和热特性。２Ｄ材料石墨烯拥有十分优秀的光电性能，是制作高性能光电探测器的优选材料之一，ＬＮ具有自发极化、高介电常数、高压电系数等优点，将石墨烯与ＬＮ结合在一起，可以制备出各种具备优异性能的光电探测器。
２０１５年，来自美国伊利诺伊大学的Ｂａｅｕｍｅｒ等通过将石墨烯与ＬＮ结合，全面解释了石墨烯掺杂水平与铁电极化之间的耦合，包括石墨烯中载流子密度和类型的局部操纵，以及界面的原子和电子细节。
２０１６年，来自巴塞罗那科学技术学院的Ｇｏｐａｌａｎ等制造了石墨烯与ＬＮ晶体结合的基于热阻效应的高效中红外光电探测器，并且不需要低温冷却。这种探测器所展示的探测能力与之前基于石墨烯的探测器相比，可以通过减少初始掺杂将探测能力提高一个数量级，并通过采用顶部带有吸收器的ＬＮ薄片将探测能力提高两个数量级以上。
２０１７年，来自剑桥大学的Ｓａｓｓｉ等将石墨烯与ＬＮ结合，提出了一种非冷却中红外光电探测器，通过调制石墨烯的电阻率来提高ＬＮ晶体的热释电响应，如图９所示。
２０１９年，来自日本的Ｓｈｉｍａｔａｎｉ等实现了一种在室温下工作的基于光门控效应的高响应度、长波红外石墨烯光电探测器，ＬＮ衬底的热释电效应增强了光门控效应，通过调节背栅电压将光响应提高了约６００倍。
２０２１年，来自暨南大学的Ｇｕａｎ等实现了一种宽波段、高性能的石墨烯光电探测器，如图１０所示，他们在这项工作中，借助ｘ切ＬＮ的局部铁电极化，同时证明了石墨烯的ｎ型和ｐ型掺杂。这种高灵敏度、宽带的ｐｎ结光电探测器具有４０５～２０００ｎｍ的宽波段检测范围，并且在２４ｐＷ（λ＝１０６４ｎｍ）的低入射功率下的响应度达到了2.92×106A/W，同时具有高达8.65×1014jones的比探测率。除了石墨烯之外，还有其他结构的ＬＮ光电探测器。
２０２２年，来自伊拉克科技大学的Ａｌｗａｚｎｙ等首次通过不同激光能量密度下液体中的两步激光烧蚀制备了混合新型Ａｕ核ＬＮ光电探测器（Ａｕ＠ＬｉＮｂＯ３），这种Ａｕ＠ＬｉＮｂＯ３／ｐＳｉ异质结光电探测器在３８０ｎｍ处的最大响应度和比探测率分别为０.６９Ａ／Ｗ和6.5×1012jones。
２０２２年，来自山东大学的Ｓｕｎ等提出了一种基于增强光伏效应的自供电宽带ＬＮＯＩ光电探测器，如图１１所示，通过掺杂银离子到ＬＮ薄膜中实现了０.２５Ａ／Ｗ的光响应度和高达1.56×1014jones的比探测率。在他们的工作中提到的第一原理计算和电场模拟揭示了等离子体纳米粒子和银离子在光电流产生和收集中的内在机制和关键作用。
图９Ｇｒａｐｈｅｎｅ／ＬｉＮｂＯ３长波红外光电探测器
图１１?Ａｇ＋／ＬｉＮｂＯ３自供电光电探测器
图１２ＷＳ２／ＬｉＮｂＯ３，ＭｏＳ２／ＬｉＮｂＯ３高性能光电探测器
２０２３年，来自南开大学的Ｊｉｎ等提出了利用导带和禁带内离散能级之间的跃迁的快速ＬＮ光电探测器，如图１３所示，利用ＬＮ禁带内的缺陷能态作为电子供体中心，在可见光范围内的光激发下在导带中产生自由载流子。与之前的热释电ＬＮ光电探测器的响应速度通常限制在１００Ｈｚ量级相比，这种ＬＮ光电探测器的响应速度更快，高达１０ｋＨｚ。同时，在这项工作中，证明了镁离子掺杂ＬＮ可以实现响应高达１０ｋＨｚ的外部光调制。这项工作促进了构建全功能单片集成ＬＮ光子芯片中的高性能ＬＮ光电探测器研究。