1962年，諾貝爾獎獲得者Bloembergen等提出了準(zhǔn)相位匹配(quasi phase matching，QPM)理論，通過對光學(xué)晶體的二階非線性極化率的周期性調(diào)制來補(bǔ)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(xué)效應(yīng)的有效增強(qiáng)。20世紀(jì)70年代末，南京大學(xué)閔乃本等用晶體生長條紋技術(shù)生長出具有周期疇的鈮酸鋰晶體(后被稱為光學(xué)超晶格)，完成了首次準(zhǔn)相位匹配的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。20世紀(jì)80年代末，他們又提出了多重準(zhǔn)相位匹配理論，將準(zhǔn)周期(人工準(zhǔn)晶)引入光學(xué)超晶格。到了20世紀(jì)90年代初，日本SONY公司、美國斯坦福大學(xué)、日本大阪大學(xué)、日本東北大學(xué)和中國南京大學(xué)等發(fā)展出圖案極化技術(shù)，在鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)等不同鐵電晶體中實(shí)現(xiàn)了鐵電疇的周期極化反轉(zhuǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了倍頻輸出。后來南京大學(xué)研究組還將光學(xué)超晶格的研究從一維拓展到二維、三維，從經(jīng)典光拓展到非經(jīng)典光，極大地推動了光學(xué)超晶格晶體的應(yīng)用研究。

圖1 光學(xué)超晶格晶體晶圓

圖2 光學(xué)超晶格晶體芯片

光學(xué)超晶格光頻率轉(zhuǎn)換具有轉(zhuǎn)換效率高、設(shè)計自由、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。常見的光學(xué)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(xué)超晶格晶體之間優(yōu)勢互補(bǔ)，性能各異，共同構(gòu)建起一個龐大的應(yīng)用市場。靈活設(shè)計和制造光學(xué)超晶格晶體，通過頻率變換可以得到晶體透光范圍內(nèi)任何波長的激光或糾纏光輸出，如高效藍(lán)綠激光、中遠(yuǎn)紅外激光、醫(yī)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(yī)療以及太赫茲無損檢測等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前光學(xué)超晶格晶體正朝著深紫外、遠(yuǎn)紅外、薄膜化、超大尺寸、大口徑、高轉(zhuǎn)換效率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、高抗損傷閾值器件等方向發(fā)展。

圖3 光學(xué)超晶格芯片的疇周期結(jié)構(gòu)(a)均勻周期結(jié)構(gòu);(b)級聯(lián)周期結(jié)構(gòu);(c)陣列周期結(jié)構(gòu)；(d)啁啾周期結(jié)構(gòu)；(e)扇形周期結(jié)構(gòu)

國際上能提供光學(xué)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(chuàng)光電科技有限公司(CTL Photonics，簡稱中科晶創(chuàng))等。境外的光學(xué)超晶格晶體芯片價格十分昂貴，如一片10 mm長的光學(xué)超晶格晶體芯片價格在3 000～5 000美元之間，并且某些光學(xué)超晶格晶體對中國禁運(yùn)。中科晶創(chuàng)經(jīng)過多年發(fā)展也具備產(chǎn)業(yè)化能力，所開發(fā)的多品種光學(xué)超晶格晶體已能滿足國內(nèi)外不同用戶的需求。

本期封面是光學(xué)超晶格晶體芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖，芯片疇周期結(jié)構(gòu)可以是單個均勻周期結(jié)構(gòu)、多周期結(jié)構(gòu)、級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)、啁啾周期結(jié)構(gòu)和扇形周期結(jié)構(gòu)等。兩束入射激光經(jīng)過不同周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格晶體芯片的頻率轉(zhuǎn)換，如差頻、和頻、倍頻、三倍頻和光學(xué)參量振蕩等，得到晶體透光范圍內(nèi)任何波長的激光或糾纏光輸出。

圖4 通過不同周期結(jié)構(gòu)的頻率變換可以得到晶體透光范圍內(nèi)任何波長的激光或糾纏光輸出