作者:张唯 来源:澎湃新闻 发布时间:2020/12/17 17:06:47
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30岁中科大毕业生破解集成光芯片难题,帮助寻找地外行星

 

“频率梳是一把测量频率和时间的尺子,由一系列频率严格等间隔的连续光分量组成,在光谱学、精密测量和时间标准上有着广泛且深刻的运用。”

近日,《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”2020年中国区榜单揭晓,瑞士洛桑联邦理工学院博士后刘骏秋因解决了集成光芯片和孤子频率梳的几个关键难题上榜。

他和同事们研制出目前世界上体积最小、最紧凑的孤子微梳光芯片模块,创造了每米光程0.5dB损耗的世界最低记录。基于此,他们实现了微波信号生成、高速集成声光调制、激光雷达以及激光自注入锁定等技术应用。

刘骏秋曾就读于中国科学技术大学少年班物理专业,2016年硕士毕业于德国埃尔朗根-纽伦堡大学,2020年在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)获得理学博士学位。

一把测量频率时间的尺子

12月10日在浙江绍兴举行的全球青年科技领袖峰会上,刘骏秋用三分钟时间介绍了他的研究课题——基于光子芯片集成的频率梳技术。

光学频率梳(optical frequency combs,OFC)是一种激光光源,其频谱由一系列分立、均匀间隔的梳状频谱线组成,可用于时间和频率的精确测量。2005年诺贝尔物理学奖的一半就被授予了对激光精密光谱学和光学频率梳技术作出奠基性工作的两位物理学家。自20世纪90年代第一台频率梳被成功研制,经过20多年的发展,频率梳向更小、更紧凑和成本更低发展。

刘骏秋介绍,他研发的集成光芯片频率梳技术,实现了传统频率梳难以实现或者无法实现的应用,包括微波生成、天体光谱与校准、寻找地外行星、中红外双梳光谱和激光雷达等等。

他在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者专访时介绍,他们的光芯片频率梳曾帮助校准西班牙拉帕尔马的伽利略天文望远镜GIANO-B。后者可以通过分析运动行星的发射光谱来寻找地外行星。

他表示,传统的、基于锁模激光器的光频梳,其重复频率在射频波段(小于1吉赫兹),因此无法与天体光谱仪的分辨率匹配。而光芯片频率梳的重复频率可被人为设计和控制在微波波段(10至30吉赫兹),可以做到完全匹配天体光谱议的分辨率,因此可以用来校准天体光谱议。“校准过的天体光谱议通过测量行星运动所引起的多普勒频移来寻找地外行星或分析其大气成分。”

《麻省理工科技评论》在给刘骏秋的入选理由中写道,“获奖人的成果为未来全芯片一体化的光信息生成、处理、探测创造更多的可能,并使得集成微腔光频梳能够应用在一些新兴的领域。此外,通信、微波、激光雷达、量子计算、芯片集成光原子钟等关键技术领域有望因此实现突破。”

做超低损耗的光子芯片

这些新应用的实现得益于刘骏秋和同事在光子芯片领域的突破。

刘骏秋介绍,光损耗是光子芯片中最为核心的问题,他所做的研究“非常技术”,是通过不断提升微纳加工的精准控制,从而把芯片上的光损耗做低。

2020年6月17日,《自然》杂志介绍了他和同事在光芯片频率梳的集成化方面实现突破。他们成功利用氮化硅材料制成超低损耗的光子芯片,并在其上实现了目前集成度最高、体积最小的实用化光芯片频率梳。2020年7月15日,《自然》杂志又介绍了他和同事在光芯片上实现高速声光调制器的技术突破。将此调制技术用于频率梳的控制,他们证明了一种新型的集成激光雷达的技术方案。

这些研究的关键技术之一是刘骏秋研发的氮化硅大马士革微纳加工技术。该工艺中,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。该研究也于2020年4月20日在《自然-光子学》杂志上发表。

氮化硅具有硬度大、密度高、绝缘、化学性质稳定等特点,在集成电路制造上有着广泛的应用,一般用于刻蚀的掩膜和封装的包层。在刘骏秋开始超低损耗氮化硅芯片研究的时候,很多人并不看好这一技术路径。

“很多人认为氮化硅的损耗已到瓶颈,无法做到更低。但他们给我的理由无法让我信服。”

在这种情况下,刘骏秋身上的较真劲和竞技精神被激发出来。“我当时想法很简单,就是要去找这个答案。我不一定能把损耗做的更低,如果是这样我需要明确知道限制损耗的原因是什么。”

带着“这个问题很重要”和“找出答案”的想法,刘骏秋从2016年开始博士阶段学习时进入氮化硅芯片研究领域,到2018年,他做出了初步成果。

“非常有意思”,刘骏秋饶有兴致地讲道,“2017年我们写了一个proposal(研究计划),说在未来五年之内我们要把光损耗做到3 dB每米。交了这个proposal半年后,我们就实现了这个目标。那时我们的proposal即将被正式批准,可是我们已经把提出的目标实现了。”

那之后,刘骏秋确信自己可以解决氮化硅的低损耗难题,渐渐做出功能越来越复杂、工艺越来越优化的氮化硅光子芯片。2020年,刘骏秋参与的3项相关研究登上《自然》正刊,5项登上《自然》子刊。

不是天才,做点技术

刘骏秋并非传统意义上的学霸。他在采访中说,“我快30岁才博士毕业,中间走了很多弯路。正常人一切顺利的话,27岁博士就毕业了。”

2008年,18岁的他因物理竞赛保送至中国科技大学,考入少年班。大学期间,他的成绩在中等偏上水平,不算拔尖。“在科大,身边天才很多。考试考不过他们,我也没有特别努力。那时候也没想清楚未来怎么规划,耽误了很多时间。”

由于学习成绩相对一般,刘骏秋没有获得心仪的美国研究生项目的录取通知书。本科毕业一年之后,他到德国开始硕士学习。

“那时候我认清一个道理,我不是天才,做不了特别深特别难的物理。那我就想,不如多接触些技术性强的学科,看看自己适合什么研究方向。”他说自己本科期间“没有好好学习”吃了亏,到德国之后专心学习,“一考试就是满分”。毕业时,他的成绩是全系第一名,并获得了德国教育系统里最高的毕业荣誉。他发现自己可以继续走科研这条路,便一直走到了现在。

谈及科研的乐趣,刘骏秋举着几块自己研制的光子芯片说,“我非常享受一个人在超净间里研究微纳加工流程和制备样品。这就像是完成一样伟大的艺术品。我单纯觉得从美学的角度上,我的整个工艺的流程具备对称性,完整性。我很欣赏我做的这个工艺和我制备的样品。非常漂亮。”

接下来,他将回到国内,继续从事光子芯片技术的研究和发展。

 
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