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三分钟了解光学超晶格晶体

浏览:137 发表时间:2020-10-17 09:19:38 来源:光电汇

文:梁万国,陈怀熹,冯新凯,张新彬

(中科院福建物质结构研究所)

      光学超晶格晶体从何而来?

      1962年,诺贝尔奖获得者Bloembergen[1]等人提出了准相位匹配 (QPM : Quasi Phase Matching)理论,通过对晶体的非线性极化率的周期性调制来补偿非线性频率变换过程中因色散引起的基波和谐波之间的波矢失配,从而获得非线性光学效应的有效增强。

      20世纪70年代末,南京大学用生长条纹技术生长出具有周期畴的酸锂晶体(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)和磷酸钛氧钾(KTP)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[3], 极大地推动了光学超晶格的研究[2]。

光学超晶格晶体现已成为一种重要的非线性光学频率转换晶体,具有频率转换效率高、设计自由、体积小、成本低等优点,可以实现基质晶体透光范围内任何波长的激光输出。光学超晶格晶体与全固态激光技术相结合,能够拓宽激光光源的波段范围。它也能产生高亮度纠缠光子对,用于光量子信息技术。我国的光学超晶格基础及应用研究一直处于国际前沿[2], [4-17],但产业化仍与国外有一定差距。

       常见的光学超晶格晶体

       光学超晶格研究极大地依赖于高质量的基质晶体材料。放眼全球,目前光学超晶格晶体产业化公司主要有:美国的CTI、英国的Covesion、以色列的Raicol、日本的Oxide和台湾龙彩科技(HCP)以及我国的福建中科晶创光电科技有限公司(简称“中科晶创”)等。国外光学超晶格晶体器件价格十分昂贵,一片10 mm长的光学超晶格晶体价格在1000-3000美元之间,并且某些光学超晶格晶体对中国禁运。目前光学超晶格晶体正朝着极深紫外、远红外、硅基集成薄膜化、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。

制造光学超晶格晶体时,首先采用半导体光刻技术在单畴晶圆表面制作图型电极,再在晶体两端施加反转电压,通过精确控制就可以实现晶体表面和厚度方向的畴结构均匀反转,然后通过切割、抛光和镀膜等工艺环节,最终得到所需的光学超晶格晶体。

       光学超晶格晶体按照不同的分类标准,可以分为以下几种。

       按照反转畴结构进行分类

       按照内部畴结构,光学超晶格芯片分为如图1的几种结构。

图1 光学超晶格晶体的不同畴结构

       用户根据自己所需选择合适的畴结构。

       按照器件结构进行分类

       按照器件结构,光学超晶格芯片分为如图2所示的几种样式。

图2 光学超晶格晶体的不同器件结构

       用户根据抽运激光的功率大小、转换效率、输出激光的功率和体积等因素选择自己所需的光学超晶格晶体结构。

       按照基质材料进行分类

       PPLN(周期极化铌酸锂)

       铌酸锂(LN)是常见的非线性光学晶体,具有宽的透明窗口、低的吸收损耗、高的抗光学损伤性能,大的非线性光学、电光、热光和声光系数等,是光学频率变换、量子科技等芯片的基质材料。哈佛大学在2017年底在网站上发布了题为“Now entering,lithium niobate valley”的公告[18],文中强调“铌酸锂对于光子学的意义,等同于硅对电子学的意义。

常见LN光学超晶格晶体基质材料有SLN, CLN和5% mol MgCLN等,相应的光学超晶格晶体为PPSLN, PPCLN和PPMgCLN等,简称PPLN。目前全球能够批量提供PPLN晶体的公司有:美国的CTI、英国的Covesion、台湾的HCP和中国的中科晶创等。中科晶创开发的3英寸0.5-5 mm厚的优质PPLN晶圆,已实现批量化销售,获得了国内外客户的好评。中科晶创制造的PPLN晶体如图3所示。

图3 常见的PPLN光学超晶格晶体

       PPLT(周期极化钽酸锂)

       钽酸锂(LT)也是一种光学超晶格基质材料,常见LT基质材料有8% mol MgCLT和1% mol MgSLT等;对应的光学超晶格晶体为PPMgLT和PPMgSLT,简称PPLT。PPLT的激光抗损伤阈值比PPLN高,短波透光波长比PPLN的短。PPSLT晶体技术以日本的Oxide公司最为先进,国内属于“瓶颈”产品

图4 从LT基质材料到光学超晶格PPLT芯片

       PPKTP(周期极化磷酸钛氧钾)

       磷酸钛氧钾(KTP)也是一种光学超晶格基质材料,对应的光学超晶格晶体为PPKTP。PPKTP的光折变效应不明显,可用于量子通讯中的量子纠缠源。

以色列的Raicol公司的PPKTP晶体技术是国际先进水平,国内目前尚未掌握相关制造工艺,为国内“卡脖子”技术产品。现状是基质材料KTP晶体生产于国内,Raicol公司向中国购买KTP晶体,再制造成PPKTP,从中获得高额差价(或利润)。

图5 从LT基质材料到光学超晶格PPLT芯片

       除了以上光学超晶格晶体外,还有PPKTA,PPRTP, PPRTA,PPCTA,PPLBGO,QPMGaAs,QPMGaP等光学超晶格晶体。

目前除KTP基质晶体材料在中材人工晶体研究院有限公司外,大部分高性能基质材料均与国际上存在一些差距。基质材料的高昂价格是制约光学超晶格晶体发展的一个重要因素。同时核心基质晶体极化工艺存在一定的技术门槛,需要通过大量的反复实验和技术积累,才能够掌握极化反转技术。

       光学超晶格晶体群

       构建出一个庞大的应用市场

       随着光电信息产业的飞速发展,对激光与其它光电器件的性能和需求与日俱增,迫切需要一批核心的光电功能材料,基于准相位匹配技术的光学超晶格晶体材料就是其中之一。常见的光学超晶格晶体材料有PPMgLN,PPMgLT和PPKTP等,它们之间优势互补,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子输出,如高效绿光激光、中远红外激光、生物(医疗)用激光、太赫兹波等,在激光显示、光电对抗、量子科技、光通讯、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,见图6所示。

图6 光学超晶格晶体及其相关应用

作者简介:梁万国,博士,中科院福建物质结构研究所研究员、博士生导师、课题组组长,主要从事衍射光学元件、光学超晶格晶体的设计和制备工艺的研究。

参考文献:

1. J.A.Armstrong, et al. Interactions between light waves in a nonlinear dielectric.Phys.Rev. 1962,127(6) :1918-1939

2. 南京大学祝世宁院士组“介电体超晶格实验室”网站介绍: http://slab.nju.edu.cn/index.aspx

3. Yamada, M., et al. "First‐order quasi‐phase matched LiNbO3 waveguide periodically poled by applying an external field for efficient blue second‐harmonic generation."

Applied Physics Letters 62.5 (1993): 435-436.

4. Chen, X , et al. "Electro-optic Solc-type wavelength filter in periodically poled lithium niobate." Optics Letters 28.21(2003):2115-7(上海交通大学)

5. 桑梅, et al. 周期极化KTP晶体光参量振荡特性研究[J].光子学报. 2003 (11) (天津大学)

6. 倪培根, et al. 二维LiNbO3非线性光子晶体[J]. 物理学报, 2003(08):1925-1928(中科院物理研究所)

7. 夏宗仁,et al.弱热释电效应黑色铌酸锂、钽酸锂晶体研究[J]. 压电与声光, 2004(02):126-128(浙江德清华蓥和江西匀晶科技)

8. 毕勇, et al. 高平均功率腔内和频蓝光Nd:YAG激光器[J]. 光学精密工程, 2005, 13(001):16-21(中科院光电研究院)

9. Wang J , et al. All-optical format conversion using a periodically poled lithium niobate waveguide and a reflective semiconductor optical amplifier[J]. Applied Physics Letters, 2007,91(5):2597.(华中科技大学)

10. Shen, Yonghang , et al. “PPMgLN-Based High-Power Optical Parametric Oscillator Pumped by Yb3+-Doped Fiber Amplifier Incorporates Active Pulse Shaping”, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,15(2) : 385~392 (2009)(浙江大学)

11. 马博琴, et al. 准周期铁电晶体中不同阶次的准相位匹配谐频[J]. 光学学报, 2009,29(012):3473-3476.(中科院物理所)

12. 沈德忠, et al. 一种适于制作PPKTP器件德KTP晶体生长方法,发明专利,专利号:CN101319385B,2011 (北京烁光特晶))

13. 颜博霞, et al. 紧凑高效的Nd:YVO4/PPMgLN腔内倍频3.8W连续绿光激光器[J].中国激光, 2011(03):31-34(中科院光电研究院)

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(天津大学)

15. 孙德辉, et al. 近化学计量比和掺镁近化学计量比铌酸锂晶体的生长与表征[J].人工晶体学报 . 2012(S1) (山东大学)

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)(北京交通大学)

17. 孙军, et al. 大尺寸近化学计量比铌酸锂晶体的制备[J]. 人工晶体学报, 2015, 44(012):3423-3428(南开大学)

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

☆ END ☆


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