访中科晶创梁万国：中国超晶格晶体研究处于世界前沿，产业化制备技术仍待发展

2021-09-18 14:29

光学超晶格晶体的产业化发展

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。

图中科晶创开发的基于光学超晶格PPLN芯片的绿光激光器样机

光学超晶格研究极大地依赖于高质量的基质晶体材料。从全球市场来看，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、中国台湾的龙彩科技（HCP）以及福建的中科晶创。

据梁万国博士介绍，制造光学超晶格晶体时，首先需要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。

例如，铌酸锂是常见的非线性光学晶体，有光学中的硅基之称。将铌酸锂晶体制成周期极化结构（亦称光学超晶格结构，即PPLN），利用准相位匹配变频技术，大大地提高了非线性晶体的变频特性。这种技术可以利用晶体的最大二阶非线性系数，将非线性频率转换波段扩展到基质晶体的整个透明波段，实现从紫外到中远红外整个波段的激光输出；同时，由于不受基波与变频光波的“走离”效应的影响，使用较长尺寸的非线性晶体，从而提高激光输出功率与光－光转化效率。

光学超晶格晶体PPLN芯片制备技术的核心为畴反转。畴反转是通过在晶体两端加高电场使铌酸锂晶体中的锂离子从一个稳定势场位置跃迁到另一个稳定势场位置来实现的。由于室温下铌酸锂晶体中的矫顽场很大，铌酸锂晶体的畴反转技术存在外加电场要求很高（大约24KV／mm）、制得的畴反转周期和占空比不易控制、周期很难做到更小等难题。

“工艺就像炒菜，每个人炒出的味道不一样。”从原理验证到样品到实验室，从科研到产业化，这是很长一段路。自2003年在加拿大，梁万国博士一直专注于该领域的研究，18年来已累计做了8000多次试验。正是这种坚持不懈的研究，终于成功地解决了PPLN极化反转芯片的各种难题。

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