定义
包含周期性畴取向模式的半导体。
基于电介质的传统非线性晶体材料可用于广泛的非线性频率转换过程。 然而，对于长波长红外应用，这种材料的选择有限，因为这些材料中的大多数在中红外区域表现出太强的吸收。 各种半导体为此类应用提供了有趣的替代方案，因为它们由相对较重的化学元素制成，并且具有相应偏移的红外吸收边缘。 （在氧化物和硼酸盐等电介质中，多声子吸收强烈限制了红外透射范围。 例如，砷化镓（GaAs）具有约0.9-17μm的宽透明度范围。 半导体也往往具有非常高的非线性系数，这显然是非常有益的，特别是对于光参量放大器等高增益器件和差频产生。 例如，砷化镓的值为d14= 94 pm/V 约 4 μm，比普通非线性电介质高一到两个数量级。 另一个吸引人的特点是通常非常高的导热性，允许在不大量加热的情况下转换相当高的光功率，这可能会影响相位匹配。
准相位匹配通常是半导体的唯一解决方案，无法通过周期性极化实现；已经为这种材料开发了新的制造方法。
然而，对于所需的非线性转换过程，通常不可能实现相位匹配——至少在双折射相位匹配的情况下是这样；例如，砷化镓在光学上是各向同性的（关于线性光学），没有双折射。准相位匹配（QPM）可以解决这个问题，但用于获得周期性倒置结构的传统周期极化方法仅适用于铁电材料，因此不适用于例如具有立方晶格结构的半导体，例如砷化镓（GaAs）。 因此，必须开发新技术来获得这种半导体中畴取向的周期性模式。 这种材料的常用术语是例如取向图案砷化镓，简称OP-GaAs。
到目前为止，定向图案技术主要应用于砷化镓，砷化镓具有相当有利的特性。 然而，其他一些半导体材料也引起了人们的兴趣，并且已经取得了一些成功。 例如，磷化镓（GaP）的带隙比GaAs更宽，在1-1.7μm的方便泵浦范围内具有较低的双光子吸收；相比之下，OP-GaAs（在这方面类似于ZGP晶体）的高效操作通常需要更长波长的泵浦源，例如Tm：YAG激光器，Tm：Ho：YLF激光器或Tm掺杂光纤激光器。 基于ZnSe和ZnTe的设备也已经演示[2]。
使用域图案化半导体器件实现的典型结果包括以下工艺和器件：
- 产生中红外波或远红外波的差频[5，8]，例如用于激光光谱学的应用
- 通过光学整流产生太赫兹辐射 [11]
- 发射超长波长空闲波（例如 >8 μm）的光参量振荡器 [9， 14]
- 用于长波长信号的光参量放大器 [13]
叠板法
一种较老的方法是“板叠”方法：几个具有交替晶体取向的砷化镓晶片被机械安装或相互粘合[1]。 这种技术允许高能应用所需的大孔径，但不适用于小取向周期（因此不是所有理想的相位匹配应用），并且不适合轻松批量生产。 因此，该技术无法在非线性光学中找到广泛的应用。
外延技术
另一种方法是在合适的模板上外延生长图案化薄膜[2，6]，作为预取向基材。 模板本身可以通过晶圆堆叠（见上文）制造，但这再次限制了可实现的极化周期。
使用平版印刷技术可以实现更小的周期。 其中之一 [3] 的工作原理如下：
- 它首先是两个具有倒置相域的精心对齐的晶圆的键合；使用OMCVD生长的额外粘合层可以提高粘合质量。 其中一个晶圆包含一个边缘停止层，该层允许人们在粘合后去除除非常思考层之外的所有层。 这导致GaAs晶片在顶部具有薄（几μm）畴倒置层。
- 使用光学光刻技术，可以去除该思想层条纹的周期性图案，从而产生定向图案模板。
- 然后，这可以用于厚层的后续生长，例如使用HVPE。
后来开发的全外延方法基于GaAs/Ge/GaAs异质外延（极性对非极性外延）：
- 首先用MBE生长一层具有均匀域取向的薄层GaAs，其与表面的（100）取向略有错位。
- 然后用光学光刻技术应用薄锗条纹（≈3 nm厚度）的规则图案。
- 砷化镓的进一步增长，厚度可达5μm，导致Ge覆盖区域出现反相结构域。 （如果没有上述底物的定向错误，反相结构域只能以50%的概率获得。
对于将样品生长到相当厚的厚度，需要相对快速的生长技术，例如有机金属气相外延（OMVPE）或氢化物气相外延（HVPE）或液相外延（LPE）。 例如，分子束外延（MBE）太慢了；它仅适用于生成薄图案模板。
厚外延生长材料的质量可以非常高，只要可以在所需的厚度上保持足够精确的垂直域传播。 （生长条件需要相应地优化，例如通过温度等各种生长参数。 薄膜厚度和光束孔径通常限制在几百微米，尽管一些生长技术已经过优化，以获得高功率设备所需的厚度量级为1 mm [12]的均匀器件。 即使对于大约 30 μm 的域周期，也可以实现这样的器件厚度。
外延技术也可以应用于波导结构，从而产生不受光束发散限制的强烈相互作用。 因此，可以在低功率水平下获得相对高效的频率转换。 对于波导，通常不需要较大的器件厚度。
参考文献
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