3分鐘了解光學超晶格晶體

文：梁萬國，陳懷熹，馮新凱，張新彬

（中科院福建物質結構研究所）

光學超晶格晶體從何而來？

1962年，諾貝爾獎獲得者Bloembergen[1]等人提出了準相位匹配 (QPM : Quasi Phase Matching）理論，通過對晶體的非線性極化率的周期性調製來補償非線性頻率變換過程中因色散引起的基波和諧波之間的波矢失配，從而獲得非線性光學效應的有效增強。

20世紀70年代末，南京大學用生長條紋技術生長出具有周期疇的鈮酸鋰晶體（後被稱為光學超晶格），完成了首次準相位匹配的實驗驗證。20世紀80年代末，他們又提出了多重準相位匹配理論，將準周期（人工準晶）引入光學超晶格。

到了20世紀90年代初，日本SONY公司、美國史丹福大學、日本東北大學和中國南京大學等發展出圖案極化技術，在鈮酸鋰（LN）、鉭酸鋰（LT）和磷酸鈦氧鉀（KTP）等不同鐵電晶體中實現了鐵電疇的周期極化反轉，成功實現了倍頻輸出[3], 極大地推動了光學超晶格的研究[2]。

光學超晶格晶體現已成為一種重要的非線性光學頻率轉換晶體，具有頻率轉換效率高、設計自由、體積小、成本低等優點，可以實現基質晶體透光範圍內任何波長的雷射輸出。光學超晶格晶體與全固態雷射技術相結合，能夠拓寬雷射光源的波段範圍。它也能產生高亮度糾纏光子對，用於光量子信息技術。我國的光學超晶格基礎及應用研究一直處於國際前沿[2]， [4-17]，但產業化仍與國外有一定差距。

常見的光學超晶格晶體

光學超晶格研究極大地依賴於高質量的基質晶體材料。放眼全球，目前光學超晶格晶體產業化公司主要有：美國的CTI、英國的Covesion、以色列的Raicol、日本的Oxide和臺灣龍彩科技（HCP）以及我國的福建中科晶創光電科技有限公司（簡稱「中科晶創」）等。國外光學超晶格晶體器件價格十分昂貴，一片10 mm長的光學超晶格晶體價格在1000-3000美元之間，並且某些光學超晶格晶體對中國禁運。目前光學超晶格晶體正朝著極深紫外、遠紅外、矽基集成薄膜化、超大尺寸、大口徑、高轉換效率波導結構、高抗損傷閾值器件等方向發展。

製造光學超晶格晶體時，首先採用半導體光刻技術在單疇晶圓表面製作圖型電極，再在晶體兩端施加反轉電壓，通過精確控制就可以實現晶體表面和厚度方向的疇結構均勻反轉，然後通過切割、拋光和鍍膜等工藝環節，最終得到所需的光學超晶格晶體。

光學超晶格晶體按照不同的分類標準，可以分為以下幾種。

按照反轉疇結構進行分類

按照內部疇結構，光學超晶格晶片分為如圖1的幾種結構。

圖1 光學超晶格晶體的不同疇結構

用戶根據自己所需選擇合適的疇結構。

按照器件結構進行分類

按照器件結構，光學超晶格晶片分為如圖2所示的幾種樣式。

圖2 光學超晶格晶體的不同器件結構

用戶根據抽運雷射的功率大小、轉換效率、輸出雷射的功率和體積等因素選擇自己所需的光學超晶格晶體結構。

按照基質材料進行分類

PPLN（周期極化鈮酸鋰）

鈮酸鋰(LN)是常見的非線性光學晶體，具有寬的透明窗口、低的吸收損耗、高的抗光學損傷性能，大的非線性光學、電光、熱光和聲光係數等，是光學頻率變換、量子科技等晶片的基質材料。哈佛大學在2017年底在網站上發布了題為「Now entering，lithium niobate valley」的公告[18]，文中強調「鈮酸鋰對於光子學的意義，等同於矽對電子學的意義。」

常見LN光學超晶格晶體基質材料有SLN, CLN和5% mol MgCLN等，相應的光學超晶格晶體為PPSLN, PPCLN和PPMgCLN等，簡稱PPLN。目前全球能夠批量提供PPLN晶體的公司有：美國的CTI、英國的Covesion、臺灣的HCP和中國的中科晶創等。中科晶創開發的3英寸0.5-5 mm厚的優質PPLN晶圓，已實現批量化銷售，獲得了國內外客戶的好評。中科晶創製造的PPLN晶體如圖3所示。

圖3 常見的PPLN光學超晶格晶體

PPLT（周期極化鉭酸鋰）

鉭酸鋰（LT）也是一種光學超晶格基質材料，常見LT基質材料有8% mol MgCLT和1% mol MgSLT等；對應的光學超晶格晶體為PPMgLT和PPMgSLT，簡稱PPLT。PPLT的雷射抗損傷閾值比PPLN高，短波透光波長比PPLN的短。PPSLT晶體技術以日本的Oxide公司最為先進，國內屬於「瓶頸」產品。

圖4 從LT基質材料到光學超晶格PPLT晶片

PPKTP（周期極化磷酸鈦氧鉀）

磷酸鈦氧鉀（KTP）也是一種光學超晶格基質材料，對應的光學超晶格晶體為PPKTP。PPKTP的光折變效應不明顯，可用於量子通訊中的量子糾纏源。

以色列的Raicol公司的PPKTP晶體技術是國際先進水平，國內目前尚未掌握相關製造工藝，為國內「卡脖子」技術產品。現狀是基質材料KTP晶體生產於國內，Raicol公司向中國購買KTP晶體，再製造成PPKTP，從中獲得高額差價（或利潤）。

圖5 從LT基質材料到光學超晶格PPLT晶片

除了以上光學超晶格晶體外，還有PPKTA，PPRTP， PPRTA，PPCTA，PPLBGO，QPMGaAs，QPMGaP等光學超晶格晶體。

目前除KTP基質晶體材料在中材人工晶體研究院有限公司外，大部分高性能基質材料均與國際上存在一些差距。基質材料的高昂價格是制約光學超晶格晶體發展的一個重要因素。同時核心基質晶體極化工藝存在一定的技術門檻，需要通過大量的反覆實驗和技術積累，才能夠掌握極化反轉技術。

光學超晶格晶體群

構建出一個龐大的應用市場

隨著光電信息產業的飛速發展，對雷射與其它光電器件的性能和需求與日俱增，迫切需要一批核心的光電功能材料，基於準相位匹配技術的光學超晶格晶體材料就是其中之一。常見的光學超晶格晶體材料有PPMgLN，PPMgLT和PPKTP等，它們之間優勢互補，共同構建起一個龐大的應用市場。靈活設計和製造光學超晶格晶體，通過頻率變換可以得到晶體透光範圍內任何波長的雷射或糾纏光子輸出，如高效綠光雷射、中遠紅外雷射、生物（醫療）用雷射、太赫茲波等，在雷射顯示、光電對抗、量子科技、光通訊、大氣探測、生物檢測和醫療以及太赫茲無損檢測等領域有著廣闊的應用前景，見圖6所示。

圖6 光學超晶格晶體及其相關應用

作者簡介：梁萬國，博士，中科院福建物質結構研究所研究員、博士生導師、課題組組長，主要從事衍射光學元件、光學超晶格晶體的設計和製備工藝的研究。

參考文獻：

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2. 南京大學祝世寧院士組「介電體超晶格實驗室」網站介紹： http://slab.nju.edu.cn/index.aspx

3. Yamada, M., et al. &34;

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5. 桑梅, et al. 周期極化KTP晶體光參量振蕩特性研究[J].光子學報. 2003 (11) （天津大學）

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7. 夏宗仁,et al.弱熱釋電效應黑色鈮酸鋰、鉭酸鋰晶體研究[J]. 壓電與聲光, 2004(02):126-128（浙江德清華鎣和江西勻晶科技）

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12. 沈德忠, et al. 一種適於製作PPKTP器件德KTP晶體生長方法，發明專利，專利號：CN101319385B，2011 （北京爍光特晶)）

13. 顏博霞, et al. 緊湊高效的Nd:YVO4/PPMgLN腔內倍頻3.8W連續綠光雷射器[J].中國雷射, 2011(03):31-34（中科院光電研究院）

14. Sheng Q et al. Continuous-wave mid-infrared intra-cavity singly resonant PPLN-OPO under 880 nm in-band pumping[J]. Optics Express, 2012, 20(7):8041-8046（天津大學）

15. 孫德輝, et al. 近化學計量比和摻鎂近化學計量比鈮酸鋰晶體的生長與表徵[J].人工晶體學報 . 2012(S1) （山東大學）

16. Yunlin Chen, et al. Investigation of domain walls in periodically poled MgO:LiNbO3 by second harmonic imaging[J]. Chinese Optics Letters, 2013, 11(3)（北京交通大學）

17. 孫軍, et al. 大尺寸近化學計量比鈮酸鋰晶體的製備[J]. 人工晶體學報, 2015, 44(012):3423-3428（南開大學）

18. https://www.seas.harvard.edu/news/2017/12/now-entering-lithium-niobate-valley

☆ END ☆