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中國超晶格晶體研究處于世界前沿,產業化制備技術仍待發展

中國超晶格晶體研究處于世界前沿,產業化制備技術仍待發展

2021/9/23 11:09:19

作為國產超晶格晶體的產業化供應商,福建中科晶創光電科技有限公司(以下簡稱“中科晶創”)的誕生與光學超晶格晶體產業化密不可分。公司創始人梁萬國博士在18年的研究與從業生涯中,對于這一領域有著深入的研究與深厚的感情。在本次采訪中,我們就超晶格晶體技術的國內外歷史發展、產業化情況以及中科晶創的現在與未來進行了深入交流。

光學超晶格晶體發展沿革

談到超晶格晶體,還要從1962年說起。彼時,諾貝爾獎獲得者Bloembergen等人提出了準相位匹配(QPM:Quasi Phase Matching)理論,通過對晶體的非線性極化率的周期性調制來補償非線性頻率變換過程中因色散引起的基波和諧波之間的波矢失配,從而獲得非線性光學效應的有效增強。

而將目光移到國內,也有一批研究人員在進行相關研究。20世紀70年代末,南京大學閔乃本院士研究團隊用生長條紋技術生長出具有周期疇的鈮酸鋰晶體(后被稱為光學超晶格),完成了首次準相位匹配的實驗驗證。80年代末,他們又提出了多重準相位匹配理論,將準周期(人工準晶)引入光學超晶格。得益于他們的研究,我國在光學超晶格芯片材料的研究上能夠一直處于世界前沿。

20世紀90年代初,日本SONY公司、美國斯坦福大學、日本東北大學和中國南京大學等發展出圖案極化技術,在鈮酸鋰(LN)、鉭酸鋰(LT)和磷酸鈦氧鉀(KTP)等不同鐵電晶體中實現了鐵電疇的周期極化反轉,成功實現了倍頻輸出,極大地推動了光學超晶格的研究。

非線性光學晶體是重要的光電信息功能材料之一,是光電子技術特別是激光技術的重要物質基礎,是高新技術和現代軍事技術中不可缺少的關鍵材料,世界上大多數國家都將其作為重要戰略技術,給予了高度重視和支持。

如此重要的一項材料,國內科研與產業化情況如何呢?談及國內外差距,梁萬國從科研與產業兩方面進行了分享:一方面,我國在光學超晶格芯片材料的研究上一直處于世界前沿;另一方面,產業化前期制備技術相對落后,其產業技術主要受限于高品質基質材料和特殊成品器件。

一枚小小的芯片,往往關乎國家科技發展速度。盡管不同于光刻機芯片、手機芯片的應用體量與需求,光學超晶格芯片仍在高端激光器件和量子光學高性能光源中有不可替代的作用。光學超晶格芯片是非線性光學晶體的重要成員,它不僅可以獲得高效率的頻率轉換,更最重要的是可以在晶體透光范圍內提供任何波長的輸出,不斷滿足現代光學對于波長多樣化的需求??芍苽涑刹煌Y構的光學超晶格芯片器件,被廣泛應用于激光顯示、量子信息、全光波長轉換、光學傳感、中遠紅外激光產生、太赫茲光源產生等領域中。

正因如此,若長期受制于人,成為“卡脖子”技術,將使國內科技與企業發展陷入被動?;诠鈱W超晶格晶體的重要性,2015年11月福建中科晶創光電科技有限公司(以下簡稱“中科晶創”)應運而生。該公司是中國科學院海西研究院技術研究成果產業化的一家新興高科技型公司,是國家光電子晶體材料工程技術研究中心工程產業示范基地的一個重要產業項目。

光學超晶格晶體的產業化發展

隨著光電信息產業的飛速發展,對激光與其它光電器件的性能和需求與日俱增,迫切需要一批核心的光電功能材料,基于準相位匹配技術的光學超晶格晶體材料就是其中之一。常見的光學超晶格晶體材料有PPMgLN,PPMgLT和PPKTP等,它們之間優勢互補,共同構建起一個龐大的應用市場。靈活設計和制造光學超晶格晶體,通過頻率變換可以得到晶體透光范圍內任何波長的激光或糾纏光子輸出,如高效綠光激光、中遠紅外激光、生物(醫療)用激光、太赫茲波等,在激光顯示、光電對抗、量子科技、光通訊、大氣探測、生物檢測和醫療以及太赫茲無損檢測等領域有著廣闊的應用前景。

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圖 中科晶創開發的基于光學超晶格PPLN芯片的綠光激光器樣機

光學超晶格研究極大地依賴于高質量的基質晶體材料。從全球市場來看,目前光學超晶格晶體產業化公司主要有:美國的CTI、英國的Covesion、以色列的Raicol、日本的Oxide、中國臺灣的龍彩科技(HCP)以及福建的中科晶創。

據梁萬國博士介紹,制造光學超晶格晶體時,首先需要采用半導體光刻技術在單疇晶圓表面制作圖型電極,再在晶體兩端施加反轉電壓,通過精確控制就可以實現晶體表面和厚度方向的疇結構均勻反轉,然后通過切割、拋光和鍍膜等工藝環節,最終得到所需的光學超晶格晶體。

例如,鈮酸鋰是常見的非線性光學晶體,有光學中的硅基之稱。將鈮酸鋰晶體制成周期極化結構(亦稱光學超晶格結構,即PPLN),利用準相位匹配變頻技術,大大地提高了非線性晶體的變頻特性。這種技術可以利用晶體的最大二階非線性系數,將非線性頻率轉換波段擴展到基質晶體的整個透明波段,實現從紫外到中遠紅外整個波段的激光輸出;同時,由于不受基波與變頻光波的“走離”效應的影響,使用較長尺寸的非線性晶體,從而提高激光輸出功率與光-光轉化效率。

光學超晶格晶體PPLN芯片制備技術的核心為疇反轉。疇反轉是通過在晶體兩端加高電場使鈮酸鋰晶體中的鋰離子從一個穩定勢場位置躍遷到另一個穩定勢場位置來實現的。由于室溫下鈮酸鋰晶體中的矯頑場很大,鈮酸鋰晶體的疇反轉技術存在外加電場要求很高(大約24KV/mm)、制得的疇反轉周期和占空比不易控制、周期很難做到更小等難題。

“工藝就像炒菜,每個人炒出的味道不一樣?!睆脑眚炞C到樣品到實驗室,從科研到產業化,這是很長一段路。自2003年在加拿大,梁萬國博士一直專注于該領域的研究,18年來已累計做了8000多次試驗。正是這種堅持不懈的研究,終于成功地解決了PPLN極化反轉芯片的各種難題。

中科晶創的現在與未來

作為國家光電子晶體材料工程技術研究中心工程產業示范基地的一個重要產業項目,中科晶創在發展中注重人才引進,研發投入。公司引進了數位海歸博士高端技術人才,立足于核心團隊超過10年的技術與數據積淀,憑借完全自主的光學超晶格芯片的知識產權和專利技術,集研發、制造、銷售于一體,開展低成本光學超晶格芯片的設計、制造及相關應用產品的開發,致力于為客戶提供高性價比的光學超晶格芯片及應用產品、應用方案和技術支持。

從產品來說,中科晶創的主要產品從核心極化晶體制備工藝出發,開發和生產PPLN晶體芯片、基于PPLN芯片的綠色激光器、激光白光模組、5G通訊波長選擇開關用光柵等關鍵材料及器件。

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圖 光學超晶格PPLN芯片樣品(從3英寸晶圓到芯片)

據介紹,國外光學超晶格晶體器件價格十分昂貴,一片10 mm長的光學超晶格晶體價格在1000-3000美元之間,并且某些光學超晶格晶體對中國禁運。而與國內外同類產品相比,公司開發的產品還具有低成本的優勢。例如,臺灣地區公司的非批量10mm產品一片的價格為3-5萬元,中科晶創的產品價格是其二分之一左右。對于產品性能的問題,梁萬國博士表示中科晶創的產品性能與國內外優質產品性能相當。從產能上來講,可以實現年產數億的產能,其中,綠光芯片產能為100萬只/年,技術成熟后良品率能夠達到90%。

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圖 產生綠色激光器的光學超晶格PPLN芯片(單個、列陣、光膠芯片)

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圖 產生中紅外激光的光學超晶格PPLN芯片(厚度:1-5毫米)

如今,公司產品占全球市場為5%左右。目前公司的光學超晶格PPLN芯片主要用于綠光模組、中遠紅外激光、生物醫療檢測型激光、通信波段全光波長轉換、量子通信、太赫茲、飛秒激光頻率變換以及其他一些非線性頻率變換。主要客戶包括中國工程物理研究院、國防科技大學、中航集團、中電集團、中船集團、華為、四川智溢等應用客戶,并獲得好評。在產學研方面,中科晶創與國家晶體工程中心、福建省光電中心、清華大學、南京大學、廈門大學、福州大學、浙江大學等高校及科研機構建立了戰略性技術交流與合作關系。

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圖 光通訊和量子通訊用PPLN全光波長轉換器

談及中科晶創的未來發展,梁萬國博士從以下四個方面進行了規劃:

1)從產品規劃來說,未來將主要瞄準光學超晶格PPLN芯片芯片、綠色激光器和衍射光柵的市場,并開發PPSLT/PPKTP晶體芯片;

2)提供針對性產品開發,為用戶定制不同結構、類型的產品,滿足用戶需求。如開發長虹、海信、TCL、康佳等激光顯示整機公司所需的不同激光器,針對不同應用,開發出相應的晶體產品。

3)產業化發展需要大量資金投入,未來也會通過融資,擴大產線,擴充產能;

4)積極參加展會營銷,參與承接各類國家性、地區性科技研發項目,并建立國內外不同區域的代銷商,擴大銷售區域。

每個領域都有一些堅持者,讓這個領域逐步發展壯大。光學超晶格晶體正朝著極深紫外、遠紅外、硅基集成薄膜化、超大尺寸、大口徑、高轉換效率波導結構、高抗損傷閾值器件等方向發展。梁萬國博士希望與中科晶創團隊一起繼續探索和優化光學超晶格芯片的工藝,爭取早日趕上和超過國際先進的光學超晶格芯片水平。

個人簡介

梁萬國:中科院福建物質結構研究所研究員,博士生導師,課題組長,國家重點研發專項“戰略性先進電子材料”專題責任專家組成員,福建省及海西研究院“百人計劃”,中國光學學會光電專委會常務理事,國際光學學會會員。北京理工大學光電工程系光學工程博士學位。先后在中科院半導體研究所、法國里昂中央理工大學、日本大阪大學、加拿大麥馬斯特大學等地從事博士后研究。獲得中科院海西研究院“百人計劃”資助,到中科院福建物質結構研究所工作。

審核編輯(
王妍
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