高效激光波長轉換晶體-PPLN

周期性極化鈮酸鋰(Periodically Poled Lithium Niobate，簡稱PPLN)，是一種高效的波長轉換非線性光學晶體，具有使用壽命長、透光范圍寬、非線性系數高等特點，常用于激光的倍頻、差頻、和頻以及光學參量振蕩等非線性光學過程，具有非常廣泛的應用前景。

PPLN晶體研發難度主要體現在工藝方面。不僅需要了解極化反轉機制，還需要對附加電場可以精確控制。

鈮酸鋰晶體具有易生長、易加工、抗腐蝕、耐高溫的特性，并且本身的機械性能穩定，生產成本較低，于是得到了廣泛的應用。尤其是近些年來，疇工程技術的進步將準相位匹配技術與極化周期結構的鈮酸鋰相結合，提高了頻率轉換響效率并擴大了晶體應用波段范圍。稀土摻雜工程的發展，將鈮酸鋰晶體更好的推向了實際應用，比如高摻鎂鈮酸鋰具有抗光折變性能，現已在激光領域、光波導器件中得到了廣泛應用。

PPLN晶體最重要的應用在于激光頻率轉換，通過PPLN晶體可以獲得已有激光器不能獲得的波長。隨著鈮酸鋰工藝技術的進步和完善，應用領域也逐步地擴展，其在高速光通訊、量子通訊、電光效應方面有著廣泛的應用。由于PPLN具有非常高的非線性極化率，其在二次諧波的產生（SHG）、高次諧波的產生（HHG）、光參量振蕩（OPO）、光參量放大（OPA）等非線性光學領域也有著重要的應用。

目前，PPLN晶體的一個主要用途是用于非線性光學的準相位變頻。利用鈮酸鋰鐵電疇的周期性反轉來實現準相位匹配，周期結構提供的倒格矢不斷地補償非線性過程中不同頻率光波的波矢匹配，實現有效的耦合，使得非線性相互作用的效率得到了很大的提高。

PPLN晶體在二次諧波的產生、高次諧波的產生、光參量振蕩、光參量放大等領域獲得了廣泛的應用。另一個應用方向是電光效應，通過給鈮酸鋰晶體施加一定的電壓，折射率橢球將會發生相應的變形，相應的光學性質將會發生改變。應運而生了一些電光器件，主要包括相位調制器、相位延遲器、光強調制器、光學隔離器等等。

隨著科技的發展，周期極化鈮酸鋰在全光通信網絡中的應用具有廣闊的發展前景，并引起了人們的廣泛關注。在高速光通信系統中，我們可以利用啁啾周期PPLN構成Bragg光柵結構，可以制作可調色散補償器件。PPLN在光時分復用系統(OTDM)中可用于高性能全光時分復用器的構成，在光碼分多址(OCDMA)中可用于高檢測效率。另外，由PPLN構成的快速響應、寬轉換帶寬、低開關功率的光開光也將在未來的高速全光網絡中扮演重要角色。

MgO:PPLN晶體

向鈮酸鋰中添加5%的氧化鎂會顯著增加晶體的抗光損傷閾值和光折變系數，同時保留PPLN晶體的超高非線性系數。與未摻雜的PPLN晶體相比，MgO:PPLN晶體可以在較低溫度和可見光范圍內更穩定的工作。MgO:PPLN晶體甚至可以在室溫下運行，而且不需要溫控儀。例如1550nm飛秒倍頻，可以使用1mm或者更短的晶體MSHG1550在室溫下使用，效率可達40-60%。當環境溫度達到200℃的情況下，MgO：PPLN與未摻雜的PPLN相比，可以提供更寬的波長范圍，MgO:PPLN晶體如圖(a)所示。

PPLN波導

通過在周期極化鈮酸鋰晶體的基礎上引入波導結構，可以使非線性轉化效率進一步提高，如下圖。波導結構是通過局部增加基質晶體的折射率形成的，周期極化鈮酸鋰波導的制備方法主要包括質子交換法(Annealing Proton Exchange, APE)和反質子交換法(Reverse Proton Exchange, RPE)、鈦擴散法以及通過刻蝕或者機械切割定義波導結構，即脊型波導。與周期極化鈮酸鋰晶體相比，周期極化鈮酸鋰波導具有以下優勢：

? 波導結構具有較強的光學限制效應，可以將光能量束縛在很小的截面內，大大提高了光功率密度，而且光束在整個波導長度范圍內都可以保持較小的光斑模式，大大增加了有效相互作用長度，有利于提高非線性轉化效率。

? 波導結構可以實現光學器件的集成以及與外部光纖的高效率耦合，有利于推動器件的小型化發展。

上圖 PPLN波導 (a) 極化過程示意圖；(b) 使用Ar+輔助干法刻蝕對波導進行圖案化處理，得到光滑的側壁；(c) 使用激光切割制備樣品，從而得到高質量的斷面。

周期性極化鈮酸鋰波導在量子通訊領域扮演者十分重要的角色，該量子器件是上轉換單光子探測器的核心元件，是星地量子通訊、量子存儲與光纖通訊的頻率轉換接口，是產生量子糾結源的主要途徑之一。