Nature封面成果幕后的少年班后浪:氮化硅集成芯片频率梳领域获重要突破

5月14日《Nature》(《自然》)封面成果介绍了激光雷达工作的成果,展望了在未来无人驾驶技术上的前景。该成果的重要贡献者之一刘骏秋是中国科大08级少年班学院校友。 他负责了该Nature成果最核心技术氮化硅芯片制备。该氮化硅芯片则基于4月20日发表于《Nature Photonics》的论文。刘骏秋是后者的论文第一作者。

《自然光子学》的重要成果:氮化硅芯片

4月20日《Nature Photonics》(《自然光子学》)刊登了名为“Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs”的工作,其来自于瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Tobias J. Kippenberg教授所领导的团队。第一作者是刘骏秋(0800)。何吉骏(中国科大0938校友)则名列共同第一作者。华人合作者还有上海大学郭海润教授。

尽管《自然》)正刊或许更令人关注,但不少专家更认可刘骏秋等作为第一作者的《自然光子学》的论文。刘骏秋曾在2019年参加欧洲集成光子大会(ECIO)并做报告时就介绍了这篇之后才发表于《自然光子学》的成果。大会评委云集了行业的权威。他们几乎一致同意,授予刘骏秋的报告全场唯一最佳学生报告。该《自然光子学》论文介绍了氮化硅芯片,带来了三篇Nature论文(其中一篇就是5月14日Nature发表的封面成果)。

从微波光子学开始,到全新的微腔频率梳

近年来, 5G,物联网等新兴信息技术的出现和发展,使得人们的生活方式更便捷更智能,极大地促进了工业生产和社会发展。不过,随着智能设备的不断增多,功能愈发强大,其对通讯带宽的需求也越来越高。而当前使用的低频的通讯频段已经十分拥挤。为了克服这种频谱危机,发展的主要趋势是将通讯波段推向更高频率。在这种背景下,一门新兴的交叉学科:微波光子学(Microwave photonics)孕育而生,其将光电子技术和微波技术结合起来,突破了当前信号处理的瓶颈限制,使得高频段的信号合成,分发和处理成为可能。

微波光子学中的一个核心模块就是光学频率梳(Optical frequency comb)。光学频率梳是一种特殊的超短脉冲光源,具有稳定的重复频率,其在光谱上的对应表现为数百根间隔精确相等并且相干的激光线梳齿。因此,光频率梳是⼀把测量频率的尺⼦,可以⽤来测量极其精确的时间间隔,在光原⼦钟、量⼦通信、精密测量上有⼴泛且深刻的应⽤。同时它也可以作为光波到微波的桥梁,在微波光子技术领域有着举足轻重的地位。正因如此,2005年诺贝尔物理学奖的⼀半授予了在频率梳领域做出奠基性⼯作的科学家。当下,频率梳⽣成的主要机制还是基于锁模激光器和光⼦晶体光纤的超连续产⽣,并催⽣商业化的频率梳仪器平台。然⽽,尽管传统光频率梳已经实现商业化,这些商业的频率梳仪器平台整体系统⼗分精密复杂,体积庞⼤,⽽且价格极其昂贵(每台数⼗万美元)。因此,研究新型⼩型化频率梳已成为现在光学领域⼀个热点⽅向。

图1,氮化硅微腔光学芯片

2007年,Tobias J. Kippenberg教授领导的团队⾸次在超⾼品质因⼦的光学微谐振腔⾥实现了基于克尔⾮线性的频率梳⽣成。这项⼯作开创了⼀个全新的光学领域 —— 微腔频率梳。这种新型的频率梳本质上是耗散的克尔孤子。这些孤子是在光学微谐振器内部循环的超短相干光脉冲。因此,这些频率梳通常被称为“孤子微梳”(Soliton microcomb)。产生孤子微梳需要非线性光学微腔,这些光学微腔具有体积⼩、能耗低、可控度⾼等特点。特别是,通过利⽤半导体纳⽶微加⼯技术,光学微腔可以在集成材料中实现。这些材料包括氮化硅,硅,⼆氧化硅,氮化铝,铌酸锂,砷化铝镓等。其中, 由于氮化硅在通讯1550 nm波段没有双光⼦吸收,同时也是集成光学主流三⼤平台之⼀(硅,磷化铟,氮化硅),是目前最成熟的芯片频率梳平台。基于芯⽚集成微腔的光频率梳仅毫米尺寸,⽣产成本低,适⽤于⼯业化⼤量成产,有望在未来成为光频率梳的主流平台。

氮化硅集成芯片频率梳领域获重要突破

在该《Nature Photonics》工作中,研究者通过研发全新的半导体纳⽶加⼯⼯艺技术,制造了损耗接近1 dB/m的氮化硅波导,该波导损耗也是目前所有集成波导材料中的世界最低记录。依托该先进工艺,瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队在国际上首次实现了微波K波段(10GHz,雷达波段)和X波段(20GHz,5G通讯波段)重复频率的芯片集成频率梳,成功解决困扰本领域近10年的难题。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。该集成孤子微梳可以作为连通集成光子学,非线性光学和微波光子学领域的桥梁技术。

能够实现如此低的波导损耗是基于该研究团队开发的一种全新氮化硅纳米微加工工艺技术,即“氮化硅光子大马士革工艺”。该工艺的研发和氮化硅芯片的制造全部于瑞士洛桑联邦理工学院的微纳米技术中心(CMi)完成。该论文的第一作者,也是领导氮化硅工艺研发和制造的刘骏秋提到:“我们创新的采用了深紫外步进光刻技术、刻蚀、化学气相沉积、化学机械抛光等技术用于氮化硅波导的制造,所产出的芯片波导损耗远低于传统的纳米加工技术,并使得大规模商业化生产成为可能。基于氮化硅微腔的集成频率梳是构建高纯度通讯光源和超低相位噪音微波振荡器的关键模块,可以广泛使用在未来的集成化的雷达和信息网络中。”

《Nature》封面成果,少年班学子有重要贡献

图2:5月14日《Nature》封面

这种超低损耗氮化硅波导,也使得集成微腔光频梳能够应用在一些新兴的领域。最新一期的《Nature》杂志就以封面形式重点报道了该课题组基于氮化硅技术的激光雷达工作“Massively parallel coherent laser ranging using soliton microcombs”。《Nature》封面论文,刘骏秋制备的氮化硅芯片,在此项工作里起到了关键作用。

相干激光雷达(LiDAR)是一种利用激光探测物体距离和移动速度的精密技术,其原理基于发射激光和对物体反射光的分析来获得物体的空间和速度信息。激光雷达具有高空间和广角分辨率,不受自然光影响等特点,因此有望在无人驾驶机动车技术上扮演核心功能。

目前,限制相干激光雷达的主要技术难题是获得窄线宽可调谐的小型激光器。激光器的可控度和体积是平行多信道相干激光雷达是否可行的主要决定因素。在《Nature》发表的这份工作里面,瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队正是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的相干激光雷达。他们将单个调频连续波泵浦激光耦合入超低损耗的氮化硅微腔中并产生孤子光频率梳。由于孤子频率梳的产生机制,泵浦激光的频率调谐同步转移至所有频率梳的梳齿,从而实现多信道的平行相干激光雷达阵列。通过设计氮化硅波导尺寸,所产生的光频率梳的梳齿间隔为100 GHz,很容易通过标准的光衍射模块将它们区分开来。由于每个梳齿都继承了泵浦激光所加载的线性啁啾,这相当于利用孤子微梳同时实现近30个独立的相干激光雷达信道。每个信道都能够同时测量待测物体的距离和速度信息。此外,不同信道的梳齿分离使得该器件不受信道串扰的影响,并且能够和近期研发的集成光学相控阵发射模块进一步集成结合。

据刘骏秋透露,基于此项氮化硅芯片集成频率梳技术,瑞士联邦理工团队与其美国的合作者共同开展并完成了全集成芯片频率梳模块的研发,和基于压电材料的频率梳集成声光调制器。两项工作均已被《自然》期刊接受,预计将于6月和7月相继发表。毫⽆疑问,氮化硅芯⽚集成频率梳正在成为⼀项关键技术,将会对新兴技术如芯片集成光谱仪、光原子钟、光学相干断层扫描等数个领域产⽣重要影响。

科大少年班90后学子的“后浪”“巨浪”:一波还未停息!

刘骏秋与何吉骏均是中国科大90后。今年五四青年节起,“后浪”成为舆论场的刷屏议题。而中国科大少年班的90后骄子们,更被成为“巨浪”与“海啸”。5月6日,10少学子曹原再发2篇关于魔角石墨烯的论文,登顶Nature(2018年3月6日他曾一天连发两篇);王武翟、季珠润两位09-10少师兄妹在5月1日与14日刊文学术期刊《Science》,在二型外尔半金属领域做出成果。

校友简介

刘骏秋,毕业于安徽马鞍山二中,中国科大08级少年班学院(零零班)。2016年获德国埃尔朗根-纽伦堡大学硕士学位(最高荣誉);2020年获瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)博士学位。

何吉骏,毕业于安徽蚌埠二中,中国科大2009级物理学院光学与光学工程系(0938)。2015年和2019年分别获得香港理工大学硕士和博士学位。

2020-05-18 上一篇: 两中国科大七系校友当选美工程院院士 下一篇: 他们将获全国创新争先奖表彰