周期性極化鈮酸鋰(Periodically Poled Lithium Niobate，簡(jiǎn)稱PPLN)，是一種高效的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換非線性光學(xué)晶體，具有使用壽命長(zhǎng)、透光范圍寬、非線性系數(shù)高等特點(diǎn)，常用于激光的倍頻、差頻、和頻以及光學(xué)參量振蕩等非線性光學(xué)過(guò)程，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

PPLN晶體研發(fā)難度主要體現(xiàn)在工藝方面。不僅需要了解極化反轉(zhuǎn)機(jī)制，還需要對(duì)附加電場(chǎng)可以精確控制。

鈮酸鋰晶體具有易生長(zhǎng)、易加工、抗腐蝕、耐高溫的特性，并且本身的機(jī)械性能穩(wěn)定，生產(chǎn)成本較低，于是得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是近些年來(lái)，疇工程技術(shù)的進(jìn)步將準(zhǔn)相位匹配技術(shù)與極化周期結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰相結(jié)合，提高了頻率轉(zhuǎn)換響效率并擴(kuò)大了晶體應(yīng)用波段范圍。稀土摻雜工程的發(fā)展，將鈮酸鋰晶體更好的推向了實(shí)際應(yīng)用，比如高摻鎂鈮酸鋰具有抗光折變性能，現(xiàn)已在激光領(lǐng)域、光波導(dǎo)器件中得到了廣泛應(yīng)用。

PPLN晶體最重要的應(yīng)用在于激光頻率轉(zhuǎn)換，通過(guò)PPLN晶體可以獲得已有激光器不能獲得的波長(zhǎng)。隨著鈮酸鋰工藝技術(shù)的進(jìn)步和完善，應(yīng)用領(lǐng)域也逐步地?cái)U(kuò)展，其在高速光通訊、量子通訊、電光效應(yīng)方面有著廣泛的應(yīng)用。由于PPLN具有非常高的非線性極化率，其在二次諧波的產(chǎn)生（SHG）、高次諧波的產(chǎn)生（HHG）、光參量振蕩（OPO）、光參量放大（OPA）等非線性光學(xué)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。

目前，PPLN晶體的一個(gè)主要用途是用于非線性光學(xué)的準(zhǔn)相位變頻。利用鈮酸鋰鐵電疇的周期性反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配，周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢不斷地補(bǔ)償非線性過(guò)程中不同頻率光波的波矢匹配，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生、高次諧波的產(chǎn)生、光參量振蕩、光參量放大等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。另一個(gè)應(yīng)用方向是電光效應(yīng)，通過(guò)給鈮酸鋰晶體施加一定的電壓，折射率橢球?qū)?huì)發(fā)生相應(yīng)的變形，相應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)將會(huì)發(fā)生改變。應(yīng)運(yùn)而生了一些電光器件，主要包括相位調(diào)制器、相位延遲器、光強(qiáng)調(diào)制器、光學(xué)隔離器等等。

隨著科技的發(fā)展，周期極化鈮酸鋰在全光通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景，并引起了人們的廣泛關(guān)注。在高速光通信系統(tǒng)中，我們可以利用啁啾周期PPLN構(gòu)成Bragg光柵結(jié)構(gòu)，可以制作可調(diào)色散補(bǔ)償器件。PPLN在光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)(OTDM)中可用于高性能全光時(shí)分復(fù)用器的構(gòu)成，在光碼分多址(OCDMA)中可用于高檢測(cè)效率。另外，由PPLN構(gòu)成的快速響應(yīng)、寬轉(zhuǎn)換帶寬、低開(kāi)關(guān)功率的光開(kāi)光也將在未來(lái)的高速全光網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色。

MgO:PPLN晶體

向鈮酸鋰中添加5%的氧化鎂會(huì)顯著增加晶體的抗光損傷閾值和光折變系數(shù)，同時(shí)保留PPLN晶體的超高非線性系數(shù)。與未摻雜的PPLN晶體相比，MgO:PPLN晶體可以在較低溫度和可見(jiàn)光范圍內(nèi)更穩(wěn)定的工作。MgO:PPLN晶體甚至可以在室溫下運(yùn)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(dá)40-60%。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)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(zhǎng)范圍，MgO:PPLN晶體如圖(a)所示。

PPLN波導(dǎo)

通過(guò)在周期極化鈮酸鋰晶體的基礎(chǔ)上引入波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以使非線性轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高，如下圖。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是通過(guò)局部增加基質(zhì)晶體的折射率形成的，周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的制備方法主要包括質(zhì)子交換法(Annealing Proton Exchange, APE)和反質(zhì)子交換法(Reverse Proton Exchange, RPE)、鈦擴(kuò)散法以及通過(guò)刻蝕或者機(jī)械切割定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即脊型波導(dǎo)。與周期極化鈮酸鋰晶體相比，周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)具有以下優(yōu)勢(shì)：

? 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的光學(xué)限制效應(yīng)，可以將光能量束縛在很小的截面內(nèi)，大大提高了光功率密度，而且光束在整個(gè)波導(dǎo)長(zhǎng)度范圍內(nèi)都可以保持較小的光斑模式，大大增加了有效相互作用長(zhǎng)度，有利于提高非線性轉(zhuǎn)化效率。

? 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的集成以及與外部光纖的高效率耦合，有利于推動(dòng)器件的小型化發(fā)展。

上圖 PPLN波導(dǎo) (a) 極化過(guò)程示意圖；(b) 使用Ar+輔助干法刻蝕對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行圖案化處理，得到光滑的側(cè)壁；(c) 使用激光切割制備樣品，從而得到高質(zhì)量的斷面。

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