2022年第9-10期“纪念《人工晶体学报》创刊五十周年”特别专题内容精彩纷呈。本号前期分期介绍了其中的《晶体人生》和《晶体论坛》栏目部分代表性文章，读者可关注《人工晶体学报》公众号或登录期刊官网下载相关内容。接下来推出本专题中来自院士团队的两篇专论。本期全文刊发来自本刊主编、南京大学祝世宁院士团队的专论《光学超晶格：从体块到薄膜》（第一作者：陈海伟，通信作者：胡小鹏、祝世宁），欢迎大家阅读转发讨论！
光学超晶格：从体块到薄膜
陈海伟，胡小鹏，祝世宁
南京大学固体微结构物理国家重点实验室，南京 210093
摘要：光学超晶格是一种基于准相位匹配技术的非线性光学材料。通过铁电畴工程研制出不同微结构的光学超晶格，可以实现高效灵活的非线性频率转换，并对光场进行多维调控。光学超晶格的基质材料，经历了从体块到薄膜的发展，伴随着两种材料体系超晶格制备技术的突破，催生了激光变频技术、非线性光场调控和多功能集成光量子芯片等重要应用。
关键词：光学超晶格；体块材料；铌酸锂薄膜；准相位匹配；激光技术；光场调控；集成光子学
01
随着科学与技术的飞速发展，材料科学的研究从内容到范式都发生了巨大变化，并出现了一种具有“变革性”意义的新材料，即超构材料。这类采用人工功能基元加空间序构的方式构筑的新材料体系，可以实现均匀材料所不具有的、可设计的超常物理特性。光学超晶格就是其中具有代表性的材料之一。
在介电体材料中引入微结构，可以实现不同物理常数的有序调制，其中二阶非线性光学系数受到周期性调制的材料，可用于激光的准相位匹配(quasi phase matching, QPM)非线性频率转换，被称为光学超晶格[1]。光学超晶格的基本构造单元由一对正负畴组成，例如在铌酸锂、钽酸锂等铁电晶体中，正负畴中的自发极化方向分别与晶体的z轴平行及反平行。将这样的基本构造单元重复排列，就形成了一维周期的光学超晶格。如果取两组构造单元按照一定的规律进行排布，例如Fibonacci序列，则构成了二组元的准周期光学超晶格[2]。光学超晶格微结构可以提供丰富多样的倒格矢，补偿非线性光参量过程中因材料色散带来的波矢失配，获得高效的非线性频率转换效率。
光学超晶格用于非线性频率转换，可以不受晶体双折射色散性质的限制，利用晶体的最大二阶非线性系数，避免双折射匹配中的空间走离效应，从而提高非线性频率转换效率。在基质晶体材料的透光波段范围内，通过光学超晶格微结构的灵活设计，基于准相位匹配或者多重准相位匹配，可以实现任意单个非线性光学过程或者多个光参量耦合过程的高效产生，这是光学超晶格与传统双折射晶体相比的最大优势所在。伴随着微结构功能材料制备技术的发展，光学超晶格在激光技术、非线性光学和量子信息技术等领域展现出了巨大的应用价值。使用光学超晶格作为非线性频率转换晶体，可以构建光谱覆盖紫外到中红外全波段、时域从连续波到飞秒的单波长、多波长、可调谐新型激光光源；基于光参量下转换等过程，通过微结构的精妙设计，光学超晶格是产生高品质纠缠光子源、实现光子态灵活操控的重要材料平台；在光学超晶格中，还展现了铁电畴工程对光场多维调控的强大能力，以及展示了光与微结构相互作用的若干新颖非线性光学效应。近年来，信息技术的发展，对集成光子学材料体系提出了新的要求，兼具高密度的光集成、超低的传输损耗和高速的光调制等性能的铌酸锂焕发了新的生机，基于铌酸锂薄膜的光学超晶格光子芯片也在集成度、器件性能等方面超越了体块光学超晶格。
02
2.1
体块光学超晶格的制备技术
微结构功能材料的发展，离不开制备技术的进步。光学超晶格的常用基质材料有铌酸锂、钽酸锂和磷酸钛氧钾等。在这些均匀晶体中，利用双折射匹配技术可实现高效的频率转换。然而，受制于材料的双折射色散特性，通常只在特定的波段，以及特定的晶体切向条件下才能适用。准相位匹配技术的提出，为晶体透光范围内实现任意波长的高效非线性频率转换提供了新方案。光学超晶格可用于实现准相位匹配技术，其特征尺寸一般在几微米至数十微米。虽然准相位匹配技术[3]的基本原理早在1962年由Bleombergen等提出，但是其实验验证和应用并未跟上，这是因为当时在铌酸锂等非线性晶体中制备出微米尺寸的光学超晶格结构在技术上存在较大的困难。直到20世纪70年代末，南京大学课题组发展了制备周期超晶格的生长层技术(见图1(a))，在晶体生长过程中，人为地引入周期性的温度起伏，生长出具有周期性畴结构的铌酸锂晶体，并完成了首次准相位匹配倍频的定量实验验证[4]。真正的技术突破是在20世纪90年代，包括南京大学在内的几个国内外研究组独立发展了光学超晶格的室温电场极化技术(见图1(b))；该技术使用半导体平面光刻工艺在晶片上制备图案电极，施加超过矫顽场的高压后，可获得与电极图案相同的有序畴结构；高压电场极化技术可制备不同基质材料、不同结构的一维、二维光学超晶格，适合量产，推进了光学超晶格真正走向实用化[5]。
图1 晶体生长层技术系统(a)和高压电场极化技术(b)示意图[4-5]，嵌入图展示了相应技术制备的光学超晶格
近年来，随着飞秒激光微纳加工技术的发展，三维光学超晶格制备技术的困境被突破。南京大学和澳大利亚国立大学的研究组分别发展了飞秒激光铁电畴定点擦除技术和飞秒激光诱导铁电畴翻转技术(见图2)，制备出三维的铌酸锂、BCT光学超晶格[6-7]。三维光学超晶格的研制成功，为三维空间非线性光学、量子光学以及微纳光子器件提供了支撑，在此基础上有望发展出更多重要应用，包括密集波分复用和解复用、高维纠缠态产生、多重准相位匹配、非线性体全息技术和光束整形、太赫兹辐射的产生和控制等[8]。
图2 飞秒激光铁电畴定点擦除技术示意图[6]
2.2
体块光学超晶格应用简介
光学超晶格与激光技术相结合是拓展激光器工作波段的重要技术手段。使用光学超晶格作为非线性频率转换晶体，激光二极管泵浦激光器、光纤激光器等作为基波光源，基于倍频、和频、三倍频等频率上转换过程，可以高效地产生可见光波段红、绿、黄、蓝光的单波长、多波长激光(图3(a)所示为红绿蓝三基色激光器)，其输出功率可达到数瓦，转换效率一般为30%~50%[9]；基于差频和光参量振荡等频率下转换过程，连续波、纳秒及皮秒脉冲等不同运转模式下的2~5 μm波段中红外相干光源(图3(b)所示为中红外激光器)的研究也得到了迅速发展[10]。目前，高功率、宽调谐、低功耗、小型化和轻量化是光学超晶格光参量振荡器的重要发展方向。结合光学超晶格和激光技术，除了拓展现存激光器的工作波段外，还可以利用非线性镜锁模、级联二阶非线性锁模等机制实现锁模激光输出，其工作波段覆盖近红外至中红外，且具有高输出功率和大调制深度等特点，是除了利用可饱和吸收体实现锁模激光输出之外的另外一条重要技术途径[11-12]。
图3 RGB激光器(a)和中红外激光器(b)[13-14]
体块光学超晶格材料，除了用于搭建新型激光光源外，在非线性光场调控方面也引起了研究者的重点关注。用于非线性光场调控的光学超晶格亦被称为非线性光子晶体，除了完成传统的准相位匹配频率转换功能外，通过横向的铁电畴结构等特殊设计，还可以对非线性极化波的波前、相位、偏振等自由度同时进行操控。以涡旋光这种特殊的结构光束为例，其具有螺旋的波前相位，每个光子携带了一定的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)。使用准周期光学超晶格作为三倍频晶体，可以打破液晶空间光调制器等光学元器件的工作波段限制，高效产生蓝紫波段的涡旋光；通过超晶格倒格矢的设计，可以对非线性频率转换过程中的OAM转移进行精密调控[15-16]。基于非线性全息设计的理念，通过非线性的叉形光栅在非线性极化波上附加螺旋相位，可以实现基波高斯光到倍频涡旋光的高效转换。另外，光学超晶格还是探究光场调控新物理的重要材料平台。2020年，南京大学研究组利用一块周期极化光学超晶格作为倍频晶体，如图4所示，通过改变入射光相对于铁电畴的角度，实现了共线倍频、非线性布拉格衍射和非线性拉曼内斯衍射等三种不同的相位匹配构型，通过研究三种情形下倍频光的OAM谱，在实验上揭示了OAM的非线性频率转换，强烈依赖于由线性动量和轨道角动量共同定义的相位匹配条件[17]。
图4 OAM的非线性频率转换示意图[17]
03
3.1
铌酸锂单晶薄膜的兴起
在铌酸锂上制备波导结构，传统的方案是通过质子交换或者钛扩散等工艺。质子交换和钛扩散波导的折射率差值小于0.1，模场面积大约在20 μm2左右，属于弱束缚波导；此类波导器件的长度一般为几个厘米，集成度较低。近年来，一种新的集成光学材料平台，即绝缘体上的铌酸锂单晶薄膜(lithium niobate on insulator, LNOI)，成为集成光子学领域关注的热点。LNOI继承了铌酸锂单晶的优异光电性能；此外，波导层的铌酸锂单晶薄膜厚度一般为几百纳米，波导层和掩埋氧化物层SiO2的折射率差值为0.7，模场面积仅为传统质子交换等弱束缚铌酸锂波导的1/20。高折射率差可以提高器件的集成度；小的模场面积，可以增强光与物质的相互作用，从而提高非线性转换的效率或者降低功耗。随着铌酸锂单晶薄膜的商品化和超低损耗波导刻蚀等关键技术的突破，2018年，美国哈佛大学的Marko Loncar研究组[18]研制出了首个大于100 GHz带宽、CMOS工艺兼容驱动电压的铌酸锂薄膜电光调制器，吹响了铌酸锂薄膜进军现代光电子领域的号角。哈佛大学在网站上发文宣称，人类正在进入铌酸锂谷的时代。公告指出：“铌酸锂对于光子学的意义，等同于硅对于电子学的意义”。伴随着这一里程碑式的工作，铌酸锂薄膜上非线性集成光子学的研究也迅速展开。基于铌酸锂薄膜光学超晶格的非线性光子芯片，兼具了强的光场束缚能力和准相位匹配的优势，这意味着在相同入射光功率下，非线性频率转换的效率更高，或者达到相同转换效率的功耗更低。下面将围绕薄膜光学超晶格的制备技术和几个典型集成光子器件进行简要介绍。
3.2
薄膜光学超晶格的制备技术
铌酸锂薄膜虽然继承了铌酸锂单晶的优异光电性能，但是在铁电畴结构的制备技术上却存在较大的差异。体块光学超晶格，一般使用z切晶片，通过在z方向施加高压电场实现铁电畴的翻转；而在LNOI光学超晶格中，铌酸锂单晶薄膜常见x切和z切两种切割方向，在设计和制备LNOI光子器件时，需要结合铌酸锂晶体结构的各向异性选取适合的切向。对于x切的薄膜超晶格制备，通常在面内排布一对梳状电极和平板电极，施加的电场在高于体块材料的矫顽场1.5倍的情况下可出现铁电畴翻转；对于z切的薄膜光学超晶格制备，采取和体块材料类似的方式在+z表面蒸镀图案电极，并升温至300 ℃再施加高压极化，高温一方面可以降低矫顽场、提高成核率，另一方面可以增加硅衬底和二氧化硅缓冲层的导电性，使得极化过程能够顺利完成。
3.3
薄膜光学超晶格的应用
2018年，哈佛大学的Wang等[19]报道了在x切的周期极化铌酸锂薄膜(PPLNOI)中实现了1.5 μm通信波段的倍频，归一化倍频效率为2600%/(W·cm2)，比传统的质子交换等弱束缚波导中的倍频高出20倍；由于占空比偏离最优值，以及超晶格结构的不均匀等因素，实测效率为理论值的60%。2019年，耶鲁大学的Lu等[20]在高Q的z切LNOI微腔中引入周期极化，制备条件和样品显微形貌如图5所示，在百微瓦的输入功率下，获得20%的倍频转换效率，归一化倍频效率高达250000%/(W·cm2)。在铌酸锂薄膜波导中，高质量的光学超晶格制备技术是实现高效频率转换的关键。2020年，南京大学研究组[21]发展了高品质x切PPLNOI的制备技术(见图6)，通过多脉冲高压电场极化技术，辅以倍频共聚焦术实时无损观测铁电畴结构，实现了50%占空比、6 mm长度的薄膜光学超晶格均匀制备，器件在通信C波段的归一化倍频效率为3060%/(W·cm2)，实测效率为理论效率的80%
图5 z切LNOI极化过程示意图[20]
图6 x切的LNOI极化过程示意图[21]
光学超晶格材料在量子信息技术中是一种非常重要的纠缠光子源，通过自发参量下转换过程，可以高效地产生和调控纠缠光子。光学超晶格在量子信息技术方面走向实用化，关键是在芯片上实现光子集成。2014年，南京大学祝世宁研究组[22]研制出了世界上第一块铌酸锂量子光学芯片，实物图如图7(a)所示。利用铌酸锂晶体大的二阶非线性光学系数和优异的电光性能，使用质子交换技术制备波导结构，将纠缠光子源、电光调制器、光子干涉仪等功能单元成功集成在同一块基于光学超晶格的铌酸锂光子芯片上，实现了纠缠光子产生和调控的一体化设计，完成了纠缠光子对聚束态和分离态的快速切换。该铌酸锂芯片的调控速率为40 GHz，光学超晶格区纠缠光子对光谱亮度为1.1×107 Hz/(nm·mW)，相关指标与硅基光子芯片相比具有明显优势。在此工作基础上，以低损耗薄膜波导刻蚀技术和高品质薄膜光学超晶格为支撑，在PPLNOI芯片中，还展示了高通量纠缠光子源制备方面的巨大优势。基于PPLNOI芯片的片上光子源，纠缠光子的光谱亮度达到1.53×109 Hz/(nm·mW)，比周期极化质子交换铌酸锂波导中的亮度提升了两个数量级；通过薄膜波导中的模式色散调控，光谱带宽达到160 nm，在此波段范围内选取8对具有代表性的波长通道用于展示多路复用能量-时间纠缠产生，所有的Franson干涉可见度均超过97%，最高可达99.17%[23]，其结构示意图如图7(b)所示。
图7 首个铌酸锂量子光学芯片(a)和产生高通量纠缠光子PPLNOI芯片示意图(b)[22-23]
04
光子是信息的重要载体，在信息技术中对光的操控和利用非常重要。通过微结构控制材料的光学性质设计出的功能各异的光电器件，可以有效地调控光与光子的振幅、相位、偏振、角动量等性质，正成为越来越受关注的研究领域。光学超晶格作为一种重要的微结构光电功能材料，其相关研究迄今已有四十余年的历史。以激光变频技术、光场调控、量子信息技术、集成光子技术等需求为牵引，同时伴随着材料和器件制备技术的发展，光学超晶格的体系也从体块发展到了新兴的薄膜。在薄膜材料中，展示了高集成度、高非线性转换效率、低功耗等体块材料无法企及的优势。
基于铌酸锂薄膜光学超晶格的非线性集成光子器件，有以下几个方面值得关注。在薄膜光学超晶格的制备技术方面，以大尺寸、高光学均匀性的LNOI为基质材料，发展晶圆级的工艺流程，提升器件的成品率等关键指标是其走向应用的基础；亚微米乃至纳米级的铁电畴，可用于背向传输光参量过程及布拉格光栅等，其精密和可控制备是极具挑战的技术难题。在新型非线性光子器件研制方面，以薄膜光学超晶格制备技术为支撑，充分发挥波导模式色散和准相位匹配的联合调控，实现宽光谱光学频率梳、宽带高增益光参量放大、超低功耗全光开关和高通量高维纠缠光子源等重要功能器件。铌酸锂薄膜上的分立集成光子元件，包括高速电光调制、声光调制、非线性光子器件等的研发已经取得了长足进展；为真正展示出设备层面的集成光子回路，应立足不同材料的优势，进行多种材料与铌酸锂薄膜异质集成，例如集成电泵浦III-V激光器和探测器等；在此基础上，研制集成化的量子通信和量子计算芯片、经典光信息芯片、精密测量及传感芯片等，这是铌酸锂集成光子芯片未来发展的主流方向。
通信作者●●
胡小鹏，南京大学现代工程与应用科学学院教授，博士生导师。2007年于南京大学物理学院获得博士学位，毕业后留校任教；2014年4月至2015年3月在澳大利亚国立大学非线性物理中心访学。主要研究方向包括光学超晶格材料制备技术、非线性光场调控物理与器件、铌酸锂集成光子学等。在Physical Review Letters、Nature Photonics、Advanced Materials等期刊上发表学术论文60余篇，参与撰写专著一部；相关研究成果两次获得“中国光学十大进展”。
祝世宁，南京大学教授，博士生导师，中国科学院院士，中国光学学会(COS)会士、美国光学学会会士(OSA fellow)、美国物理学会会士(APS fellow)。现任南京大学学术委员会副主任，《人工晶体学报》主编，《国家科学评论》（NSR)数理编辑组组长，《中国科学》《科学通报》《量子电子学报》等刊物编委。长期从事微结构功能材料和物理、非线性光学、激光物理与量子光学与量子信息方面的基础研究与应用基础研究。与合作者一起完成的研究工作曾获国家自然科学一等奖（2006）、首届中国光学科技奖一等奖（2018）、高等学校科学自然科学一等奖（2020）和江苏省基础研究重大贡献奖（2019）等。
论文题录●●
陈海伟, 胡小鹏, 祝世宁. 光学超晶格:从体块到薄膜[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(9-10): 1527-1534.
CHEN Haiwei, HU Xiaopeng, ZHU Shining. Optical Superlattice: from Bulk to Thin Film[J]. JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS, 2022, 51(9-10): 1527-1534.
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