又一世界紀錄！中科大少年班學者取得氮化硅波導重大突破，實現集成波導材料中最低損耗_風聞

又一世界紀錄！中科大08級少年班學者取得氮化硅波導重大突破，實現集成波導材料中最低損耗

“我覺得可以這樣看，我們有這樣的技術，如果一些非常特殊的應用需要用到這樣的技術，我們有能力解決。我們想在國內把這個技術做出來，想把技術壁壘消除，這也是我計劃回國發展的原因之一。” 談到這一點，90 後 “後浪” 劉駿秋自信滿滿。

**劉駿秋本科就讀於中國科大 08 級少年班，如今是洛桑聯邦理工學院的在讀博士，研究的方向是超低損耗氮化硅光子芯片和光學頻率梳技術。**他在光學領域的研究方向初看起來晦澀難懂，但卻非常重要，其研究成果已多次發表在全球頂級學術期刊《自然》（Nature）雜誌及其子刊上。

劉駿秋告訴 DeepTech，儘管這一研究課題是近年來光學領域的熱點，但國內的相關研究起步較晚。“我們的研究可以有很多應用，比如在通信方面。國際上很多課題組都在從事這方面的研究。近年來，國內的同行也在變多，好的工作我們也經常能看到。”

圖｜劉駿秋

**近年來，得益於 5G、人工智能、物聯網等新興科技的快速發展，人類生活和工業生產正變得愈發高效與智能，其中，通信行業就是新興科技的 “受益者”。**一個非常直觀的體現是，在從 2G 演化到 5G 的過程中，我們實實在在地感受到了發生在日常生活中的變化。

但是，隨着智能設備數量的快速增加和軟硬件功能的持續迭代，對通信帶寬的要求越來越高，如今低通信頻段的頻譜也已十分擁擠，難以滿足未來無線通信領域日益增長的需求。因此，實現更高頻率段內的通信，一直是近年來通信行業的主要研究方向之一。

自上世紀 70 年代以來，隨着半導體激光器、高速光電調製器探測器、集成光學、光纖光學和微波天線、微波單片集成電路等技術的發展，一種將微波與光學兩門學科的優勢結合起來的新興交叉學科——微波光子學得以快速發展，通過光信號與微波頻段電信號的相互作用，使得高頻段的信號合成、分發和處理成為可能，進而突破當前信號處理的瓶頸。

**光學頻率梳作為微波光子學中的核心模塊，就像一把精密測量光頻率的標尺，可以產生由一系列離散的、等頻率間距的相干激光組成的光譜，在計時、測距、微波合成和光譜學等重要領域有着重要應用。**但是，傳統光學頻率梳由桌面級鎖模激光器產生，構造複雜、價格昂貴，對使用環境的要求也非常高，因而難以實現大規模商用。

與基於傳統鎖模激光器的光學頻率梳不同，孤子微梳是一種在高品質光學微腔中利用非線性光學手段產生的光學頻率梳。如今，藉助半導體 CMOS 工藝，基於光子芯片的孤子微梳在激光雷達、尋找地外行星、大容量光通信、光學頻率合成器等領域有着巨大的應用前景。但是，在現有技術體系下，這些在學術層面取得的突破性進展，依然很難實現大規模商用落地，功耗和成本是其中的主要痛點。

因此，在集成光電子平台上構築體積小、功耗低的芯片級光學頻率梳，一直是過去十年科學界和產業界重點關注的前沿方向之一。

**近日，由美國加州理工學院、加州大學聖巴巴拉分校和瑞士洛桑聯邦理工學院組成的科研團隊，在芯片級光學頻率梳的集成化方面實現了重大突破。**相關研究成果已在線發表在《自然》（Nature）雜誌上。值得注意的是，該論文的 5 位第一作者全部是來自中國的青年研究學者，他們分別是沈博強、常林、劉駿秋、王賀明和楊起帆。

據論文描述，研究團隊通過將超低損耗的氮化硅微腔芯片與商用分佈式反饋激光器芯片直接封裝對接耦合的方式，成功研製出孤子微梳，這一研究成果對光學頻率梳的混合集成和大規模商用落地有着十分重要的意義。

圖｜光學頻率梳的發展趨勢。（來源：楊起帆）

此次，研究團隊成功製作了與光源集成的孤子微梳，並首次證明 “啓鑰” 運行，只需打開激光器開關，孤子微梳就可以進入鎖模狀態並保持穩定運行，大大簡化了以往復雜的啓動步驟。

與以往復雜的激光頻率快速掃頻和雙激光補償方式不同，“啓鑰” 具有極高的穩定性和可重複性，且無需外界反饋控制。同時，“啓鑰” 式孤子微梳的激發既不需要十分耗能的電子控制電路，也不需要難以集成的光學隔離器。對此，研究團隊表示，這是光學頻率梳技術從實驗室邁向日常生活應用的 “奠基性一步”。

**值得關注的是，此次突破性研究得以成功的關鍵因素來自劉駿秋研製的 “氮化硅光子大馬士革工藝”。**劉駿秋表示，這一工藝代表着當前氮化硅超低損耗波導的最高水平。

這一全新的氮化硅納米微加工工藝技術，由劉駿秋研發，其氮化硅波導的損耗接近 1 dB/m，是目前所有集成波導材料中超低損耗的世界紀錄。該研究已於 4 月 20 日發表在《自然光子學》（Nature Photonics）雜誌上。

“我們現在做的氮化硅非線性波導的損耗是全世界最低的，我們可以將其與半導體激光器結合在一起，因為激光器的輸出功率是有限的，如果氮化硅的損耗沒有現在這樣低，孤子微梳是不可能在那麼低的功率下產生的。

另外，因為損耗低，我們可以把孤子微梳的重複頻率做低，別人用一瓦的功率產生 10 條線，我們可以產生 100 條。信號數量越多，容量就越大，在通信當中的優勢就越大。

有了氮化硅這個技術，我們可以做很多事情，現在國內資源很好，業內專家也很多，我覺得國內是有條件建立和發展這個技術的，甚至做的更好。” 劉駿秋説。

根據論文的描述，研究團隊依託該先進工藝，在國際上首次實現了微波 K 波段（10 GHz，雷達波段）和 X 波段（20 GHz，5G 通信波段）重複頻率的芯片集成頻率梳，所產生的微波信號具有與商用電子微波合成器同等甚至更低的相位噪聲特性。

對此，劉駿秋表示，“將深紫外步進光刻技術、刻蝕和化學機械拋光等技術用於氮化硅波導的研製，所產出的芯片波導損耗遠低於傳統納米加工技術，這使得大規模商業化生產成為可能。”

**這種超低損耗氮化硅波導，也使得集成微腔光頻梳可以應用在一些新興的領域。**5 月 14 日，《自然》（Nature）雜誌以封面文章的形式重點報道了劉駿秋所在的瑞士課題組基於氮化硅技術的激光雷達工作。

根據論文的描述，研究團隊利用氮化硅微腔光頻梳技術實現了一種新型的超大規模並行相干激光雷達，可以利用孤子微梳一次實現近 30 個獨立的相干激光雷達信道，並同時測量待測物體的距離和速度信息。

在劉駿秋看來，在一些非常極端的情況下，這種新型超大規模並行的相干激光雷會有獨有的優勢，“它產生的 30 個信號之間是彼此相干的，通過 30 個信號之間的信號處理，其精度可以比傳統激光雷達好很多。”

“激光雷達只是氮化硅孤子微梳的一個應用方向，我們的核心技術就是非線性超低損耗氮化硅波導芯片，在這一核心技術上，孤子微梳是一種新型光源，我們可以將孤子微梳應用在很多領域。”

劉駿秋表示，除了應用在激光雷達和微波生成方面，孤子微梳還可以用在通信、行星速度測量、微波生成和相干斷層掃描等領域，未來可能也會用於光原子鐘。

“最主要的應用在通信領域，我們課題組和德國的合作者在 2017 年發表在《自然》雜誌上的一篇文章中，就詳細介紹瞭如何用孤子微梳增加通信容量，這比傳統通信方式的容量要大很多。”

他們在 2019 年和瑞士電子與微技術中心、日內瓦天文台、意大利天文台等機構合作的一個項目中，用孤子微梳實現了行星運動速度的校準。“我們發現，通過頻梳去校準天體測量的光譜儀，我們可以探測行星的移動速度。” 談及這一項目，劉駿秋表示，由於行星的運動，光會存在多普勒頻移。相關結果發表在 2019 年 1 月的《自然光子學》上。

此外，劉駿秋也談到，將來一個重要的應用方向是光原子鐘，“希望可以把成本做得很低，體積做到很小，能在更多的地方用上”，但他也表示，這種原子鐘的精度可能比不上當下最好的原子鐘，但用在一般功能上足夠了。

“還有一些別的方向，比如我們之前也做過一些光學相干斷層掃描的工作，其本質就是利用了寬帶光源，由於每個光源、每個頻率之間彼此相干，就使得孤子微梳在信息獲得、信息處理方面優勢很大，甚至可以將孤子微梳應用在加速器和陀螺儀上。”

他們下一階段的工作重點是實現大規模生產，提高實際產能。“半導體發展的一個趨勢就是儘量減少封裝的複雜程度，儘管我們已經做出來了一個產品，但目前的封裝技術還是比較複雜的。”

採訪的最後，這位 90 後學者表示，他未來會一直深扎於這個領域中。