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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

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

2021/9/23 11:09:19

作为国产超晶格晶体的产业化供应商,福建中科晶创光电科技有限公司(以下简称“中科晶创”)的诞生与光学超晶格晶体产业化密不可分。公司创始人梁万国博士在18年的研究与从业生涯中,对于这一领域有着深入的研究与深厚的感情。在本次采访中,我们就超晶格晶体技术的国内外历史发展、产业化情况以及中科晶创的现在与未来进行了深入交流。

光学超晶格晶体发展沿革

谈到超晶格晶体,还要从1962年说起。彼时,诺贝尔奖获得者Bloembergen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。

而将目光移到国内,也有一批研究人员在进行相关研究。20世纪70年代末,南京大学闵乃本院士研究团队用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。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。得益于他们的研究,我国在光学超晶格芯片材料的研究上能够一直处于世界前沿。

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,极大地推动了光学超晶格的研究。

非线性光学晶体是重要的光电信息功能材料之一,是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础,是高新技术和现代军事技术中不可缺少的关键材料,世界上大多数国家都将其作为重要战略技术,给予了高度重视和支持。

如此重要的一项材料,国内科研与产业化情况如何呢?谈及国内外差距,梁万国从科研与产业两方面进行了分享:一方面,我国在光学超晶格芯片材料的研究上一直处于世界前沿;另一方面,产业化前期制备技术相对落后,其产业技术主要受限于高品质基质材料和特殊成品器件。

一枚小小的芯片,往往关乎国家科技发展速度。尽管不同于光刻机芯片、手机芯片的应用体量与需求,光学超晶格芯片仍在高端激光器件和量子光学高性能光源中有不可替代的作用。光学超晶格芯片是非线性光学晶体的重要成员,它不仅可以获得高效率的频率转换,更最重要的是可以在晶体透光范围内提供任何波长的输出,不断满足现代光学对于波长多样化的需求。可制备成不同结构的光学超晶格芯片器件,被广泛应用于激光显示、量子信息、全光波长转换、光学传感、中远红外激光产生、太赫兹光源产生等领域中。

正因如此,若长期受制于人,成为“卡脖子”技术,将使国内科技与企业发展陷入被动。基于光学超晶格晶体的重要性,2015年11月福建中科晶创光电科技有限公司(以下简称“中科晶创”)应运而生。该公司是中国科学院海西研究院技术研究成果产业化的一家新兴高科技型公司,是国家光电子晶体材料工程技术研究中心工程产业示范基地的一个重要产业项目。

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。

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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。

中科晶创的现在与未来

作为国家光电子晶体材料工程技术研究中心工程产业示范基地的一个重要产业项目,中科晶创在发展中注重人才引进,研发投入。公司引进了数位海归博士高端技术人才,立足于核心团队超过10年的技术与数据积淀,凭借完全自主的光学超晶格芯片的知识产权和专利技术,集研发、制造、销售于一体,开展低成本光学超晶格芯片的设计、制造及相关应用产品的开发,致力于为客户提供高性价比的光学超晶格芯片及应用产品、应用方案和技术支持。

从产品来说,中科晶创的主要产品从核心极化晶体制备工艺出发,开发和生产PPLN晶体芯片、基于PPLN芯片的绿色激光器、激光白光模组、5G通讯波长选择开关用光栅等关键材料及器件。

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图 光学超晶格PPLN芯片样品(从3英寸晶圆到芯片)

据介绍,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。而与国内外同类产品相比,公司开发的产品还具有低成本的优势。例如,台湾地区公司的非批量10mm产品一片的价格为3-5万元,中科晶创的产品价格是其二分之一左右。对于产品性能的问题,梁万国博士表示中科晶创的产品性能与国内外优质产品性能相当。从产能上来讲,可以实现年产数亿的产能,其中,绿光芯片产能为100万只/年,技术成熟后良品率能够达到90%。

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图 产生绿色激光器的光学超晶格PPLN芯片(单个、列阵、光胶芯片)

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图 产生中红外激光的光学超晶格PPLN芯片(厚度:1-5毫米)

如今,公司产品占全球市场为5%左右。目前公司的光学超晶格PPLN芯片主要用于绿光模组、中远红外激光、生物医疗检测型激光、通信波段全光波长转换、量子通信、太赫兹、飞秒激光频率变换以及其他一些非线性频率变换。主要客户包括中国工程物理研究院、国防科技大学、中航集团、中电集团、中船集团、华为、四川智溢等应用客户,并获得好评。在产学研方面,中科晶创与国家晶体工程中心、福建省光电中心、清华大学、南京大学、厦门大学、福州大学、浙江大学等高校及科研机构建立了战略性技术交流与合作关系。

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图 光通讯和量子通讯用PPLN全光波长转换器

谈及中科晶创的未来发展,梁万国博士从以下四个方面进行了规划:

1)从产品规划来说,未来将主要瞄准光学超晶格PPLN芯片芯片、绿色激光器和衍射光栅的市场,并开发PPSLT/PPKTP晶体芯片;

2)提供针对性产品开发,为用户定制不同结构、类型的产品,满足用户需求。如开发长虹、海信、TCL、康佳等激光显示整机公司所需的不同激光器,针对不同应用,开发出相应的晶体产品。

3)产业化发展需要大量资金投入,未来也会通过融资,扩大产线,扩充产能;

4)积极参加展会营销,参与承接各类国家性、地区性科技研发项目,并建立国内外不同区域的代销商,扩大销售区域。

每个领域都有一些坚持者,让这个领域逐步发展壮大。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。梁万国博士希望与中科晶创团队一起继续探索和优化光学超晶格芯片的工艺,争取早日赶上和超过国际先进的光学超晶格芯片水平。

个人简介

梁万国:中科院福建物质结构研究所研究员,博士生导师,课题组长,国家重点研发专项“战略性先进电子材料”专题责任专家组成员,福建省及海西研究院“百人计划”,中国光学学会光电专委会常务理事,国际光学学会会员。北京理工大学光电工程系光学工程博士学位。先后在中科院半导体研究所、法国里昂中央理工大学、日本大阪大学、加拿大麦马斯特大学等地从事博士后研究。获得中科院海西研究院“百人计划”资助,到中科院福建物质结构研究所工作。

审核编辑(
王妍
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