光学超晶格晶体——实现激光频率转换的无限可能

1962年，诺贝尔奖获得者Bloembergen等提出了准相位匹配(quasi phase matching，QPM)理论，通过对光学晶体的二阶非线性极化率的周期性调制来补偿光频率变换过程中因色散引起的基波和谐波之间的相位失配，从而获得非线性光学效应的有效增强。20世纪70年代末，南京大学闵乃本等用晶体生长条纹技术生长出具有周期畴的铌酸锂晶体(后被称为光学超晶格)，完成了首次准相位匹配的实验验证。20世纪80年代末，他们又提出了多重准相位匹配理论，将准周期(人工准晶)引入光学超晶格。到了20世纪90年代初，日本SONY公司、美国斯坦福大学、日本大阪大学、日本东北大学和中国南京大学等发展出图案极化技术，在铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)等不同铁电晶体中实现了铁电畴的周期极化反转，成功实现了倍频输出。后来南京大学研究组还将光学超晶格的研究从一维拓展到二维、三维，从经典光拓展到非经典光，极大地推动了光学超晶格晶体的应用研究。

图1 光学超晶格晶体晶圆

图2 光学超晶格晶体芯片

光学超晶格光频率转换具有转换效率高、设计自由、体积小、成本低等优点。常见的光学超晶格极化晶体材料有PPLN、PPLT和PPKTP，还有PPKTA、PPRTP、PPRTA、PPCTA、PPLBGO、QPMGaAs和QPMGaP等，不同光学超晶格晶体之间优势互补，性能各异，共同构建起一个庞大的应用市场。灵活设计和制造光学超晶格晶体，通过频率变换可以得到晶体透光范围内任何波长的激光或纠缠光输出，如高效蓝绿激光、中远红外激光、医疗用激光、太赫兹波等，在激光显示、光电对抗、量子科技、光通信、大气探测、生物检测和医疗以及太赫兹无损检测等领域有着广阔的应用前景。目前光学超晶格晶体正朝着深紫外、远红外、薄膜化、超大尺寸、大口径、高转换效率波导结构、高抗损伤阈值器件等方向发展。

图3 光学超晶格芯片的畴周期结构(a)均匀周期结构;(b)级联周期结构;(c)阵列周期结构；(d)啁啾周期结构；(e)扇形周期结构

国际上能提供光学超晶格晶体的公司主要有美国CTI、加拿大C2C Link、英国Covesion、以色列Raicol、日本Oxide、中国台湾龙彩科技(HCP)和福建中科晶创光电科技有限公司(CTL Photonics，简称中科晶创)等。境外的光学超晶格晶体芯片价格十分昂贵，如一片10 mm长的光学超晶格晶体芯片价格在3 000～5 000美元之间，并且某些光学超晶格晶体对中国禁运。中科晶创经过多年发展也具备产业化能力，所开发的多品种光学超晶格晶体已能满足国内外不同用户的需求。

本期封面是光学超晶格晶体芯片的结构和工作原理示意图，芯片畴周期结构可以是单个均匀周期结构、多周期结构、级联周期结构、啁啾周期结构和扇形周期结构等。两束入射激光经过不同周期结构的光学超晶格晶体芯片的频率转换，如差频、和频、倍频、三倍频和光学参量振荡等，得到晶体透光范围内任何波长的激光或纠缠光输出。

图4 通过不同周期结构的频率变换可以得到晶体透光范围内任何波长的激光或纠缠光输出