光學超晶格晶體
——實現激光頻率轉換的無限可能

1962年，諾貝爾獎獲得者Bloembergen等提出了準相位匹配(quasi phase matching，QPM)理論，通過對光學晶體的二階非線性極化率的周期性調制來補償光頻率變換過程中因色散引起的基波和諧波之間的相位失配，從而獲得非線性光學效應的有效增強。20世紀70年代末，南京大學閔乃本等用晶體生長條紋技術生長出具有周期疇的鈮酸鋰晶體(后被稱為光學超晶格)，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、美國斯坦福大學、日本大阪大學、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)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。后來南京大學研究組還將光學超晶格的研究從一維拓展到二維、三維，從經典光拓展到非經典光，極大地推動了光學超晶格晶體的應用研究。

圖1 光學超晶格晶體晶圓

圖2 光學超晶格晶體芯片

光學超晶格光頻率轉換具有轉換效率高、設計自由、體積小、成本低等優點。常見的光學超晶格極化晶體材料有PPLN、PPLT和PPKTP，還有PPKTA、PPRTP、PPRTA、PPCTA、PPLBGO、QPMGaAs和QPMGaP等，不同光學超晶格晶體之間優勢互補，性能各異，共同構建起一個龐大的應用市場。靈活設計和制造光學超晶格晶體，通過頻率變換可以得到晶體透光范圍內任何波長的激光或糾纏光輸出，如高效藍綠激光、中遠紅外激光、醫療用激光、太赫茲波等，在激光顯示、光電對抗、量子科技、光通信、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。目前光學超晶格晶體正朝著深紫外、遠紅外、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。

圖3 光學超晶格芯片的疇周期結構(a)均勻周期結構;(b)級聯周期結構;(c)陣列周期結構；(d)啁啾周期結構；(e)扇形周期結構

國際上能提供光學超晶格晶體的公司主要有美國CTI、加拿大C2C Link、英國Covesion、以色列Raicol、日本Oxide、中國臺灣龍彩科技(HCP)和福建中科晶創光電科技有限公司(CTL Photonics，簡稱中科晶創)等。境外的光學超晶格晶體芯片價格十分昂貴，如一片10 mm長的光學超晶格晶體芯片價格在3 000～5 000美元之間，并且某些光學超晶格晶體對中國禁運。中科晶創經過多年發展也具備產業化能力，所開發的多品種光學超晶格晶體已能滿足國內外不同用戶的需求。

本期封面是光學超晶格晶體芯片的結構和工作原理示意圖，芯片疇周期結構可以是單個均勻周期結構、多周期結構、級聯周期結構、啁啾周期結構和扇形周期結構等。兩束入射激光經過不同周期結構的光學超晶格晶體芯片的頻率轉換，如差頻、和頻、倍頻、三倍頻和光學參量振蕩等，得到晶體透光范圍內任何波長的激光或糾纏光輸出。

圖4 通過不同周期結構的頻率變換可以得到晶體透光范圍內任何波長的激光或糾纏光輸出