又一世界纪录!中科大08级少年班学者取得氮化硅波导重大突破,实现集成波导材料中最低损耗|专访

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又一世界纪录!中科大08级少年班学者取得氮化硅波导重大突破,实现集成波导材料中最低损耗|专访
麻省理工科技评论 2020-06-30

2020-06-30

我们有这样的技术,如果一些非常特殊的应用需要用到这样的技术,我们有能力解决。
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我们有这样的技术,如果一些非常特殊的应用需要用到这样的技术,我们有能力解决。

“我觉得可以这样看,我们有这样的技术,如果一些非常特殊的应用需要用到这样的技术,我们有能力解决。我们想在国内把这个技术做出来,想把技术壁垒消除,这也是我计划回国发展的原因之一。” 谈到这一点,90 后 “后浪” 刘骏秋自信满满。

刘骏秋本科就读于中国科大 08 级少年班,如今是洛桑联邦理工学院的在读博士,研究的方向是超低损耗氮化硅光子芯片和光学频率梳技术。他在光学领域的研究方向初看起来晦涩难懂,但却非常重要,其研究成果已多次发表在全球顶级学术期刊《自然》(Nature)杂志及其子刊上。

刘骏秋告诉 DeepTech,尽管这一研究课题是近年来光学领域的热点,但国内的相关研究起步较晚。“我们的研究可以有很多应用,比如在通信方面。国际上很多课题组都在从事这方面的研究。近年来,国内的同行也在变多,好的工作我们也经常能看到。”

图|刘骏秋

近年来,得益于 5G、人工智能、物联网等新兴科技的快速发展,人类生活和工业生产正变得愈发高效与智能,其中,通信行业就是新兴科技的 “受益者”。一个非常直观的体现是,在从 2G 演化到 5G 的过程中,我们实实在在地感受到了发生在日常生活中的变化。

但是,随着智能设备数量的快速增加和软硬件功能的持续迭代,对通信带宽的要求越来越高,如今低通信频段的频谱也已十分拥挤,难以满足未来无线通信领域日益增长的需求。因此,实现更高频率段内的通信,一直是近年来通信行业的主要研究方向之一。

自上世纪 70 年代以来,随着半导体激光器、高速光电调制器探测器、集成光学、光纤光学和微波天线、微波单片集成电路等技术的发展,一种将微波与光学两门学科的优势结合起来的新兴交叉学科——微波光子学得以快速发展,通过光信号与微波频段电信号的相互作用,使得高频段的信号合成、分发和处理成为可能,进而突破当前信号处理的瓶颈。

光学频率梳作为微波光子学中的核心模块,就像一把精密测量光频率的标尺,可以产生由一系列离散的、等频率间距的相干激光组成的光谱,在计时、测距、微波合成和光谱学等重要领域有着重要应用。但是,传统光学频率梳由桌面级锁模激光器产生,构造复杂、价格昂贵,对使用环境的要求也非常高,因而难以实现大规模商用。

与基于传统锁模激光器的光学频率梳不同,孤子微梳是一种在高品质光学微腔中利用非线性光学手段产生的光学频率梳。如今,借助半导体 CMOS 工艺,基于光子芯片的孤子微梳在激光雷达、寻找地外行星、大容量光通信、光学频率合成器等领域有着巨大的应用前景。但是,在现有技术体系下,这些在学术层面取得的突破性进展,依然很难实现大规模商用落地,功耗和成本是其中的主要痛点。

因此,在集成光电子平台上构筑体积小、功耗低的芯片级光学频率梳,一直是过去十年科学界和产业界重点关注的前沿方向之一。

近日,由美国加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校和瑞士洛桑联邦理工学院组成的科研团队,在芯片级光学频率梳的集成化方面实现了重大突破。相关研究成果已在线发表在《自然》(Nature)杂志上。值得注意的是,该论文的 5 位第一作者全部是来自中国的青年研究学者,他们分别是沈博强、常林、刘骏秋、王贺明和杨起帆。

据论文描述,研究团队通过将超低损耗的氮化硅微腔芯片与商用分布式反馈激光器芯片直接封装对接耦合的方式,成功研制出孤子微梳,这一研究成果对光学频率梳的混合集成和大规模商用落地有着十分重要的意义。

图|光学频率梳的发展趋势。(来源:杨起帆)

此次,研究团队成功制作了与光源集成的孤子微梳,并首次证明 “启钥” 运行,只需打开激光器开关,孤子微梳就可以进入锁模状态并保持稳定运行,大大简化了以往复杂的启动步骤。

与以往复杂的激光频率快速扫频和双激光补偿方式不同,“启钥” 具有极高的稳定性和可重复性,且无需外界反馈控制。同时,“启钥” 式孤子微梳的激发既不需要十分耗能的电子控制电路,也不需要难以集成的光学隔离器。对此,研究团队表示,这是光学频率梳技术从实验室迈向日常生活应用的 “奠基性一步”。

值得关注的是,此次突破性研究得以成功的关键因素来自刘骏秋研制的 “氮化硅光子大马士革工艺”。刘骏秋表示,这一工艺代表着当前氮化硅超低损耗波导的最高水平。

这一全新的氮化硅纳米微加工工艺技术,由刘骏秋研发,其氮化硅波导的损耗接近 1 dB/m,是目前所有集成波导材料中超低损耗的世界纪录。该研究已于 4 月 20 日发表在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上。

“我们现在做的氮化硅非线性波导的损耗是全世界最低的,我们可以将其与半导体激光器结合在一起,因为激光器的输出功率是有限的,如果氮化硅的损耗没有现在这样低,孤子微梳是不可能在那么低的功率下产生的。

另外,因为损耗低,我们可以把孤子微梳的重复频率做低,别人用一瓦的功率产生 10 条线,我们可以产生 100 条。信号数量越多,容量就越大,在通信当中的优势就越大。

有了氮化硅这个技术,我们可以做很多事情,现在国内资源很好,业内专家也很多,我觉得国内是有条件建立和发展这个技术的,甚至做的更好。” 刘骏秋说。

根据论文的描述,研究团队依托该先进工艺,在国际上首次实现了微波 K 波段(10 GHz,雷达波段)和 X 波段(20 GHz,5G 通信波段)重复频率的芯片集成频率梳,所产生的微波信号具有与商用电子微波合成器同等甚至更低的相位噪声特性。

对此,刘骏秋表示,“将深紫外步进光刻技术、刻蚀和化学机械抛光等技术用于氮化硅波导的研制,所产出的芯片波导损耗远低于传统纳米加工技术,这使得大规模商业化生产成为可能。”

这种超低损耗氮化硅波导,也使得集成微腔光频梳可以应用在一些新兴的领域。5 月 14 日,《自然》(Nature)杂志以封面文章的形式重点报道了刘骏秋所在的瑞士课题组基于氮化硅技术的激光雷达工作。

根据论文的描述,研究团队利用氮化硅微腔光频梳技术实现了一种新型的超大规模并行相干激光雷达,可以利用孤子微梳一次实现近 30 个独立的相干激光雷达信道,并同时测量待测物体的距离和速度信息。

在刘骏秋看来,在一些非常极端的情况下,这种新型超大规模并行的相干激光雷会有独有的优势,“它产生的 30 个信号之间是彼此相干的,通过 30 个信号之间的信号处理,其精度可以比传统激光雷达好很多。”

“激光雷达只是氮化硅孤子微梳的一个应用方向,我们的核心技术就是非线性超低损耗氮化硅波导芯片,在这一核心技术上,孤子微梳是一种新型光源,我们可以将孤子微梳应用在很多领域。”

刘骏秋表示,除了应用在激光雷达和微波生成方面,孤子微梳还可以用在通信、行星速度测量、微波生成和相干断层扫描等领域,未来可能也会用于光原子钟。

“最主要的应用在通信领域,我们课题组和德国的合作者在 2017 年发表在《自然》杂志上的一篇文章中,就详细介绍了如何用孤子微梳增加通信容量,这比传统通信方式的容量要大很多。”

他们在 2019 年和瑞士电子与微技术中心、日内瓦天文台、意大利天文台等机构合作的一个项目中,用孤子微梳实现了行星运动速度的校准。“我们发现,通过频梳去校准天体测量的光谱仪,我们可以探测行星的移动速度。” 谈及这一项目,刘骏秋表示,由于行星的运动,光会存在多普勒频移。相关结果发表在 2019 年 1 月的《自然光子学》上。

此外,刘骏秋也谈到,将来一个重要的应用方向是光原子钟,“希望可以把成本做得很低,体积做到很小,能在更多的地方用上”,但他也表示,这种原子钟的精度可能比不上当下最好的原子钟,但用在一般功能上足够了。

“还有一些别的方向,比如我们之前也做过一些光学相干断层扫描的工作,其本质就是利用了宽带光源,由于每个光源、每个频率之间彼此相干,就使得孤子微梳在信息获得、信息处理方面优势很大,甚至可以将孤子微梳应用在加速器和陀螺仪上。”

他们下一阶段的工作重点是实现大规模生产,提高实际产能。“半导体发展的一个趋势就是尽量减少封装的复杂程度,尽管我们已经做出来了一个产品,但目前的封装技术还是比较复杂的。”

采访的最后,这位 90 后学者表示,他未来会一直深扎于这个领域中。

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