作為國(guó)產(chǎn)超晶格晶體的產(chǎn)業(yè)化供應(yīng)商，福建中科晶創(chuàng)光電科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中科晶創(chuàng)”）的誕生與光學(xué)超晶格晶體產(chǎn)業(yè)化密不可分。公司創(chuàng)始人梁萬(wàn)國(guó)博士在18年的研究與從業(yè)生涯中，對(duì)于這一領(lǐng)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(shù)的國(guó)內(nèi)外歷史發(fā)展、產(chǎn)業(yè)化情況以及中科晶創(chuàng)的現(xiàn)在與未來(lái)進(jìn)行了深入交流。

光學(xué)超晶格晶體發(fā)展沿革

談到超晶格晶體，還要從1962年說(shuō)起。彼時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Bloembergen等人提出了準(zhǔn)相位匹配（QPM：Quasi Phase Matching）理論，通過(guò)對(duì)晶體的非線性極化率的周期性調(diào)制來(lái)補(bǔ)償非線性頻率變換過(guò)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(xué)效應(yīng)的有效增強(qiáng)。

而將目光移到國(guó)內(nèi)，也有一批研究人員在進(jìn)行相關(guān)研究。20世紀(jì)70年代末，南京大學(xué)閔乃本院士研究團(tuán)隊(duì)用生長(zhǎng)條紋技術(shù)生長(zhǎng)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。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。得益于他們的研究，我國(guó)在光學(xué)超晶格芯片材料的研究上能夠一直處于世界前沿。

20世紀(jì)90年代初，日本SONY公司、美國(guó)斯坦福大學(xué)、日本東北大學(xué)和中國(guó)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）和磷酸鈦氧鉀（KTP）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，極大地推動(dòng)了光學(xué)超晶格的研究。

非線性光學(xué)晶體是重要的光電信息功能材料之一，是光電子技術(shù)特別是激光技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是高新技術(shù)和現(xiàn)代軍事技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料，世界上大多數(shù)國(guó)家都將其作為重要戰(zhàn)略技術(shù)，給予了高度重視和支持。

如此重要的一項(xiàng)材料，國(guó)內(nèi)科研與產(chǎn)業(yè)化情況如何呢？談及國(guó)內(nèi)外差距，梁萬(wàn)國(guó)從科研與產(chǎn)業(yè)兩方面進(jìn)行了分享：一方面，我國(guó)在光學(xué)超晶格芯片材料的研究上一直處于世界前沿；另一方面，產(chǎn)業(yè)化前期制備技術(shù)相對(duì)落后，其產(chǎn)業(yè)技術(shù)主要受限于高品質(zhì)基質(zhì)材料和特殊成品器件。

一枚小小的芯片，往往關(guān)乎國(guó)家科技發(fā)展速度。盡管不同于光刻機(jī)芯片、手機(jī)芯片的應(yīng)用體量與需求，光學(xué)超晶格芯片仍在高端激光器件和量子光學(xué)高性能光源中有不可替代的作用。光學(xué)超晶格芯片是非線性光學(xué)晶體的重要成員，它不僅可以獲得高效率的頻率轉(zhuǎn)換，更最重要的是可以在晶體透光范圍內(nèi)提供任何波長(zhǎng)的輸出，不斷滿足現(xiàn)代光學(xué)對(duì)于波長(zhǎng)多樣化的需求。可制備成不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格芯片器件，被廣泛應(yīng)用于激光顯示、量子信息、全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、光學(xué)傳感、中遠(yuǎn)紅外激光產(chǎn)生、太赫茲光源產(chǎn)生等領(lǐng)域中。

正因如此，若長(zhǎng)期受制于人，成為“卡脖子”技術(shù)，將使國(guó)內(nèi)科技與企業(yè)發(fā)展陷入被動(dòng)。基于光學(xué)超晶格晶體的重要性，2015年11月福建中科晶創(chuàng)光電科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中科晶創(chuàng)”）應(yīng)運(yùn)而生。該公司是中國(guó)科學(xué)院海西研究院技術(shù)研究成果產(chǎn)業(yè)化的一家新興高科技型公司，是國(guó)家光電子晶體材料工程技術(shù)研究中心工程產(chǎn)業(yè)示范基地的一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。

光學(xué)超晶格晶體的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

隨著光電信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)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(zhǔn)相位匹配技術(shù)的光學(xué)超晶格晶體材料就是其中之一。常見的光學(xué)超晶格晶體材料有PPMgLN，PPMgLT和PPKTP等，它們之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同構(gòu)建起一個(gè)龐大的應(yīng)用市場(chǎng)。靈活設(shè)計(jì)和制造光學(xué)超晶格晶體，通過(guò)頻率變換可以得到晶體透光范圍內(nèi)任何波長(zhǎng)的激光或糾纏光子輸出，如高效綠光激光、中遠(yuǎn)紅外激光、生物（醫(yī)療）用激光、太赫茲波等，在激光顯示、光電對(duì)抗、量子科技、光通訊、大氣探測(cè)、生物檢測(cè)和醫(yī)療以及太赫茲無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖 中科晶創(chuàng)開發(fā)的基于光學(xué)超晶格PPLN芯片的綠光激光器樣機(jī)

光學(xué)超晶格研究極大地依賴于高質(zhì)量的基質(zhì)晶體材料。從全球市場(chǎng)來(lái)看，目前光學(xué)超晶格晶體產(chǎn)業(yè)化公司主要有：美國(guó)的CTI、英國(guó)的Covesion、以色列的Raicol、日本的Oxide、中國(guó)臺(tái)灣的龍彩科技（HCP）以及福建的中科晶創(chuàng)。

據(jù)梁萬(wàn)國(guó)博士介紹，制造光學(xué)超晶格晶體時(shí)，首先需要采用半導(dǎo)體光刻技術(shù)在單疇晶圓表面制作圖型電極，再在晶體兩端施加反轉(zhuǎn)電壓，通過(guò)精確控制就可以實(shí)現(xiàn)晶體表面和厚度方向的疇結(jié)構(gòu)均勻反轉(zhuǎn)，然后通過(guò)切割、拋光和鍍膜等工藝環(huán)節(jié)，最終得到所需的光學(xué)超晶格晶體。

例如，鈮酸鋰是常見的非線性光學(xué)晶體，有光學(xué)中的硅基之稱。將鈮酸鋰晶體制成周期極化結(jié)構(gòu)（亦稱光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)，即PPLN），利用準(zhǔn)相位匹配變頻技術(shù)，大大地提高了非線性晶體的變頻特性。這種技術(shù)可以利用晶體的最大二階非線性系數(shù)，將非線性頻率轉(zhuǎn)換波段擴(kuò)展到基質(zhì)晶體的整個(gè)透明波段，實(shí)現(xiàn)從紫外到中遠(yuǎn)紅外整個(gè)波段的激光輸出；同時(shí)，由于不受基波與變頻光波的“走離”效應(yīng)的影響，使用較長(zhǎng)尺寸的非線性晶體，從而提高激光輸出功率與光－光轉(zhuǎn)化效率。

光學(xué)超晶格晶體PPLN芯片制備技術(shù)的核心為疇反轉(zhuǎn)。疇反轉(zhuǎn)是通過(guò)在晶體兩端加高電場(chǎng)使鈮酸鋰晶體中的鋰離子從一個(gè)穩(wěn)定勢(shì)場(chǎng)位置躍遷到另一個(gè)穩(wěn)定勢(shì)場(chǎng)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于室溫下鈮酸鋰晶體中的矯頑場(chǎng)很大，鈮酸鋰晶體的疇反轉(zhuǎn)技術(shù)存在外加電場(chǎng)要求很高（大約24KV／mm）、制得的疇反轉(zhuǎn)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(gè)人炒出的味道不一樣。”從原理驗(yàn)證到樣品到實(shí)驗(yàn)室，從科研到產(chǎn)業(yè)化，這是很長(zhǎng)一段路。自2003年在加拿大，梁萬(wàn)國(guó)博士一直專注于該領(lǐng)域的研究，18年來(lái)已累計(jì)做了8000多次試驗(yàn)。正是這種堅(jiān)持不懈的研究，終于成功地解決了PPLN極化反轉(zhuǎn)芯片的各種難題。

中科晶創(chuàng)的現(xiàn)在與未來(lái)

作為國(guó)家光電子晶體材料工程技術(shù)研究中心工程產(chǎn)業(yè)示范基地的一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，中科晶創(chuàng)在發(fā)展中注重人才引進(jìn)，研發(fā)投入。公司引進(jìn)了數(shù)位海歸博士高端技術(shù)人才，立足于核心團(tuán)隊(duì)超過(guò)10年的技術(shù)與數(shù)據(jù)積淀，憑借完全自主的光學(xué)超晶格芯片的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利技術(shù)，集研發(fā)、制造、銷售于一體，開展低成本光學(xué)超晶格芯片的設(shè)計(jì)、制造及相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)，致力于為客戶提供高性價(jià)比的光學(xué)超晶格芯片及應(yīng)用產(chǎn)品、應(yīng)用方案和技術(shù)支持。

從產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，中科晶創(chuàng)的主要產(chǎn)品從核心極化晶體制備工藝出發(fā)，開發(fā)和生產(chǎn)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(zhǎng)選擇開關(guān)用光柵等關(guān)鍵材料及器件。

圖 光學(xué)超晶格PPLN芯片樣品（從3英寸晶圓到芯片）

據(jù)介紹，國(guó)外光學(xué)超晶格晶體器件價(jià)格十分昂貴，一片10 mm長(zhǎng)的光學(xué)超晶格晶體價(jià)格在1000－3000美元之間，并且某些光學(xué)超晶格晶體對(duì)中國(guó)禁運(yùn)。而與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，公司開發(fā)的產(chǎn)品還具有低成本的優(yōu)勢(shì)。例如，臺(tái)灣地區(qū)公司的非批量10mm產(chǎn)品一片的價(jià)格為3－5萬(wàn)元，中科晶創(chuàng)的產(chǎn)品價(jià)格是其二分之一左右。對(duì)于產(chǎn)品性能的問(wèn)題，梁萬(wàn)國(guó)博士表示中科晶創(chuàng)的產(chǎn)品性能與國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品性能相當(dāng)。從產(chǎn)能上來(lái)講，可以實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)數(shù)億的產(chǎn)能，其中，綠光芯片產(chǎn)能為100萬(wàn)只／年，技術(shù)成熟后良品率能夠達(dá)到90％。

圖 產(chǎn)生綠色激光器的光學(xué)超晶格PPLN芯片（單個(gè)、列陣、光膠芯片）

圖 產(chǎn)生中紅外激光的光學(xué)超晶格PPLN芯片（厚度：1－5毫米）

如今，公司產(chǎn)品占全球市場(chǎng)為5％左右。目前公司的光學(xué)超晶格PPLN芯片主要用于綠光模組、中遠(yuǎn)紅外激光、生物醫(yī)療檢測(cè)型激光、通信波段全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(guó)工程物理研究院、國(guó)防科技大學(xué)、中航集團(tuán)、中電集團(tuán)、中船集團(tuán)、華為、四川智溢等應(yīng)用客戶，并獲得好評(píng)。在產(chǎn)學(xué)研方面，中科晶創(chuàng)與國(guó)家晶體工程中心、福建省光電中心、清華大學(xué)、南京大學(xué)、廈門大學(xué)、福州大學(xué)、浙江大學(xué)等高校及科研機(jī)構(gòu)建立了戰(zhàn)略性技術(shù)交流與合作關(guān)系。

圖 光通訊和量子通訊用PPLN全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器

談及中科晶創(chuàng)的未來(lái)發(fā)展，梁萬(wàn)國(guó)博士從以下四個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)劃：

1）從產(chǎn)品規(guī)劃來(lái)說(shuō)，未來(lái)將主要瞄準(zhǔn)光學(xué)超晶格PPLN芯片芯片、綠色激光器和衍射光柵的市場(chǎng)，并開發(fā)PPSLT／PPKTP晶體芯片；

2）提供針對(duì)性產(chǎn)品開發(fā)，為用戶定制不同結(jié)構(gòu)、類型的產(chǎn)品，滿足用戶需求。如開發(fā)長(zhǎng)虹、海信、TCL、康佳等激光顯示整機(jī)公司所需的不同激光器，針對(duì)不同應(yīng)用，開發(fā)出相應(yīng)的晶體產(chǎn)品。

3）產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需要大量資金投入，未來(lái)也會(huì)通過(guò)融資，擴(kuò)大產(chǎn)線，擴(kuò)充產(chǎn)能；

4）積極參加展會(huì)營(yíng)銷，參與承接各類國(guó)家性、地區(qū)性科技研發(fā)項(xiàng)目，并建立國(guó)內(nèi)外不同區(qū)域的代銷商，擴(kuò)大銷售區(qū)域。

每個(gè)領(lǐng)域都有一些堅(jiān)持者，讓這個(gè)領(lǐng)域逐步發(fā)展壯大。光學(xué)超晶格晶體正朝著極深紫外、遠(yuǎn)紅外、硅基集成薄膜化、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。梁萬(wàn)國(guó)博士希望與中科晶創(chuàng)團(tuán)隊(duì)一起繼續(xù)探索和優(yōu)化光學(xué)超晶格芯片的工藝，爭(zhēng)取早日趕上和超過(guò)國(guó)際先進(jìn)的光學(xué)超晶格芯片水平。

個(gè)人簡(jiǎn)介

梁萬(wàn)國(guó)：中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，課題組長(zhǎng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”專題責(zé)任專家組成員，福建省及海西研究院“百人計(jì)劃”，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光電專委會(huì)常務(wù)理事，國(guó)際光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員。北京理工大學(xué)光電工程系光學(xué)工程博士學(xué)位。先后在中科院半導(dǎo)體研究所、法國(guó)里昂中央理工大學(xué)、日本大阪大學(xué)、加拿大麥馬斯特大學(xué)等地從事博士后研究。獲得中科院海西研究院“百人計(jì)劃”資助，到中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所工作。