少年班后生再登《自然》,突破氮化硅集成芯片调制器限制

由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)和美国普渡大学合作实现的技术突破,集成氮化硅微纳光路和氮化铝微机电系统的单片集成,展示了通过压电效应产生体声波,从而实现芯片集成光学频率梳的高速声光调制。此项技术突破,相关成果以“Monolithic piezoelectric control of soliton microcombs”在线发表于7月15日《自然》(Nature)杂志上。该文第一作者刘骏秋为中国科学技术大学08级少年班校友,合作者包括校友何吉骏(0938)和刘天一(1400)。普渡大学田浩(天津大学11级)为共同第一作者。

通过压电氮化铝产生体声波,并借此高速声光调制氮化硅集成光路里生成的孤子微梳

图片来源: Alex Mehler @ WoogieWorks

四项重量级工作,三篇登《自然》

值得一提的是,此次《自然》报道的高速声光频率梳调制[1]是近期刘骏秋和所在EPFL研究团队发表的借助超低损耗氮化硅光学芯片的第四篇重量级工作,另外三篇工作研究包括今年四月《自然光子学》报道的微波生成[4]、五月《自然》封面报道的激光雷达[2]、六月《自然》报道的启钥孤子微梳模块[5]。

据悉,这项《自然》发表的光芯片技术有望在未来在能耗有限的系统中发挥作用,如太空、数据中心和便携式原子钟中,或在极端环境或低温中。这项工作1月27日投稿,得到审稿人一致的高度评价(审稿人包括美国Sandia国家实验室的专家),4月2日便被《自然》正式接受。目前研究团队还有数个工作正在投稿中。可以预见,未来结合集成光芯片技术的跨领域、多学科的研究成果将会越来越多,也将会在生产生活中扮演举足轻重的功能。

压电材料寻常见,5G手机几度闻

压电材料,比如石英,在受到压力作用时,材料内会产生电信号;反之,对压电材料施加电压信号,材料也会发生相应的形变。这种压电特性可实现机械振动(声波)和交流电的互相转换。压电材料在我们的生活中随处可见,比如,煤气灶和打火机里的点火装置就利用到了压电陶瓷产生电火花。

而微纳加工的压电材料和元件,则广泛用于射频信号生成、传感器、加速测量等等。基于压电材料的射频信号生成、滤波和接收元件,则更是在我们的现代无线通信网络,全球定位(GPS)和导航系统中无处不在。例如,几乎每个5G手机中就包含十几个这样的射频滤波器,用于发送和接收指定目标频率的信号。

惊艳的氮化硅光学集成芯片

最新一期的《自然》[1]报道了由EPFL与普渡大学合作实现的,利用氮化铝压电材料与超低损耗氮化硅集成微纳光路的单片集成,从而实现超高速、超低功率损耗的片上声光调制机制,一举打破了长久以来的氮化硅光学集成芯片的调制速率、功率损耗和微纳工艺复杂等多项限制。

氮化硅是一种广泛用于CMOS工艺制造微电子电路的绝缘陶瓷材料。在近十年以来,氮化硅也被用与构建集成光子芯片的超低损耗微纳光波导。值得一提的是,近年来兴起的基于芯片集成微谐振腔的光孤子频率梳(“微梳”),氮化硅以其优异的光学性质而成为构建微梳的首选材料,并以用于光通信、天体测量、微波合成、光学原子钟以及光学雷达等。

集成氮化硅氮化铝光芯片(图片来源:何吉骏,刘骏秋)

研究团队将氮化铝压电调制器单片集成在超低损耗氮化硅微纳光路上,并在氮化铝上施加交流电压信号来产生体声波(借助压电效应的电声转换),最终在氮化硅光路中控制生成稳定的微梳并进行高速调制。这项技术突破成功的结合了集成光子学、微机电系统(MEMS)和非线性光学。而最令人惊艳的一点在于,这项高速调制技术能耗极低(不到一个微瓦),且没有为获得高速调制而牺牲氮化硅的超低损耗品质。

成果应用:从激光雷达说起

基于该新型的芯片技术,研究团队分别展示了两个独立的应用场景。第一个应用场景是相干激光雷达。今年五月,EPFL团队就以《自然》封面报道的形式发表了他们基于氮化硅芯片的超大规模并行激光雷达的工作[2]。在当前的工作中,团队通过利用氮化铝调制器同步调谐激光器和微谐振腔,改进了之前使用的激光雷达操作模式。新方案进一步扩展了激光扫频范围,增加了并行通道的数量,减少了通道失真,提高了调制速率,并大大减小了能耗。新方案为基于CMOS微电路驱动的集成光子芯片激光雷达提供了一套新的技术。

5月14日《Nature》封面

第二个应用是通过时空调制来构建基于微谐振腔的无磁体片上光隔离器。该结果最近独立发表在今年六月的《自然·通讯》期刊上[3]。通过将三个氮化铝调制器等间隔放置在氮化硅微腔上,并以相同的频率、120度相位差进行调制,从而产生光学漩涡,并迫使光只能在单一方向透射。利用体声波的空间限制特性,调制器彼此间几乎没有串扰,因此可以紧密排放,这在传统的硅基集成调制器上很难实现。

参考文献:

[1] J. Liu, H. Tian, E. Lucas, A. S. Raja, G. Lihachev, R. N. Wang, J. He, T. Liu, M. A. Anderson, W. Wenle, S. A. Bhave and T. J. Kippenberg, “Monolithic piezoelectric control of soliton microcombs”, Nature 583, 385–390 (2020).. DOI: 10.1038/s41586-020-2465-8

[2] J. Riemensberger, A. Lukashchuk, M. Karpov, W. Weng, E. Lucas, J. Liu, and T. J. Kippenberg, “Massively parallel coherent laser ranging using a soliton microcomb”, Nature 581, 164 (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2239-3

[3] H. Tian, J. Liu, B. Dong, J. C. Skehan, M. Zervas, T. J. Kippenberg, and S. A. Bhave, “Hybrid Integrated Photonics Using Bulk Acoustic Resonators”, Nature Communications 11, 3073 (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-16812-6

[4] J. Liu, E. Lucas, A. S. Raja, J. He, J. Riemensberger, R. N. Wang, M. Karpov, H. Guo, R. Bouchand, and T. J. Kippenberg, “Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs”, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-0617-x

[5] B. Shen, L. Chang, J. Liu, H. Wang, Q.-F. Yang, C. Xiang, R. N. Wang, J. He, T. Liu, W. Xie, J. Guo, D. Kinghorn, L. Wu, Q.-X. Ji, T. J. Kippenberg, K. Vahala, and J. E. Bowers, “Integrated turnkey soliton microcombs”, Nature 582, 365(2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2358-x

 

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。

刘天一,中国科学技术大学少年班学院1400学生,现为洛桑瑞士联邦理工学院博士生。

相关报道回顾:

1.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18日;

2.中国后浪们再登Nature,芯片级光频梳集成化突破 6月18日;

往期成果回顾(来源:新创基金会)

注: 1.上文图片除标注来源,其余均来自于互联网;

2.《往期成果回顾》制图为实习生高佳煜。 图中所列的五项工作中,四项为近期刘骏秋和所在EPFL研究团队发表的借助超低损耗氮化硅光学芯片的重量级工作,时间均为文章网络发表时间(published online);除自然封面、7月成果外,其余图片均来自对应论文。

新闻说明:新闻由中国科大新创校友基金会(微信公号ID:USTCIF)与网站发布。编辑毕宇昕、任吴炯(1625)、刘志峰(9500)等。欢迎转载,但须保留文章完整性,说明新闻来源。

2020-07-15 上一篇: 两中国科大七系校友当选美工程院院士 下一篇: No More Content!