科學(xué)家構(gòu)建基于薄膜鈮酸鋰的耦合微腔平臺(tái) 助推未來光電融合芯片發(fā)展

  近幾十年來，光學(xué)領(lǐng)域的突破和創(chuàng)新，改變著人類的生活。

  大約 20 年前，光學(xué)與微納加工的結(jié)合，催生了微納光子學(xué)這一全新的領(lǐng)域，并為人們帶來了新型片上光學(xué)器件。

  歷經(jīng) 20 年的發(fā)展，大量芯片級(jí)別的光學(xué)器件應(yīng)用，讓光學(xué)頻梳、雷達(dá)等不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

  目前，微納光子器件主要基于簡(jiǎn)單的片上結(jié)構(gòu)，譬如單個(gè)波導(dǎo)和單個(gè)?諧振微腔等。

  與這些片上結(jié)構(gòu)相比，耦合微腔能夠提供多個(gè)可重構(gòu)的光子能級(jí)，產(chǎn)生高效的光子-電子相互作用。

  而從?單波導(dǎo)和單微腔拓展到耦合微腔的過程，也就像一個(gè)?把物理系統(tǒng)從單原子拓展到多原子的過程，會(huì)有大量新的光學(xué)現(xiàn)象和功能器件隨之涌現(xiàn)。

  因此，耦合微腔被認(rèn)為是下一代頗具前景的光子學(xué)器件之一。

  然而，耦合微腔的復(fù)雜度明顯高于目前常規(guī)的片上光學(xué)器件，這使得相關(guān)領(lǐng)域的研究者很難對(duì)它進(jìn)行控制和探索。

  ?北京大學(xué)物理學(xué)院?胡耀文助理教授、研究員的研究致力于發(fā)展基于?薄膜鈮酸鋰的電光耦合微腔平臺(tái)，聚焦光電融合芯片應(yīng)用。他通過該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了包括電光頻移器、光學(xué)頻梳等在內(nèi)的一系列基于耦合微腔的光電調(diào)控器件。這些器件或在性能上超越了世界最高水平，或展現(xiàn)出前所未有的功能。

  憑借引領(lǐng)基于?薄膜鈮酸鋰?光子平臺(tái)的光電融合芯片研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)片上光子高速、高效的光電調(diào)控，為實(shí)現(xiàn)未來全光電融合芯片提供全新發(fā)展路線，?胡耀文成為 2023 年度《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國入選者之一。

  發(fā)展基于薄膜鈮酸鋰的耦合微腔平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全球性能最高的電光頻移器和光學(xué)頻梳

  理想中的耦合微腔需要滿足許多苛刻條件，包括能夠提供?極低光學(xué)損耗的材料、高效率的耦合強(qiáng)度、極高的帶寬用于光學(xué)/電學(xué)控制，以及良好的可擴(kuò)展性等。

  但此前的片上耦合微腔系統(tǒng)無法達(dá)成這些條件。

  在?胡耀文看來，薄膜鈮酸鋰?具備的光-電相互作用強(qiáng)、損耗低、可以大規(guī)模拓展等優(yōu)勢(shì)，恰恰是耦合微腔所需要的。

  因此，他在過去幾年中，成功地構(gòu)建了一個(gè)基于薄膜鈮酸鋰的電光耦合微腔平臺(tái)。該平臺(tái)能夠提供?光子多能級(jí)系統(tǒng)，并可以在強(qiáng)耦合尺度下通過電光效應(yīng)施加躍遷。

  與此同時(shí)，他也首次提出了?控制光場(chǎng)能量流動(dòng)的廣義臨界耦合理論。

  基于上述平臺(tái)，2021 年，他把?廣義臨界耦合理論應(yīng)用到?多能級(jí)系統(tǒng)與連續(xù)譜耦合的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了超越世界最高水平的電光頻移器[1]。

  “簡(jiǎn)單來說就是，該器件能夠通過頻率調(diào)控，高效且高速地改變光的顏色?！?胡耀文表示。

  從性能上看，這款電光頻移器不僅能將光頻率改變 ?10 至 30 吉赫茲，還擁有大于 99% 的平移效率和僅僅 0.45 分貝的片上損耗。

  此外，利用該平臺(tái)，?胡耀文還發(fā)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)頻移這種之前光子器件中完全不存在的現(xiàn)象，即在只使用一個(gè) 30 吉赫茲的微波的情況下，將光的頻率改變了 120 吉赫茲。

  而這一過程中，光?單向的流動(dòng)在頻率空間的能級(jí)中沒有任何反向轉(zhuǎn)換。

  “該成果的關(guān)鍵意義在于，只使用一個(gè)低頻率的微波（幾十個(gè)吉赫茲），就可以獲取超高帶寬的微波（?>100 吉赫茲，毫米波），極大地降低了對(duì)超高帶寬的毫米波尺度的相關(guān)研究與應(yīng)用所需要的昂貴設(shè)備的依賴，為未來的器件開發(fā)提供更多可能。”胡耀文表示。

  從應(yīng)用上看，該電光頻移器能夠在吉赫茲頻段提供世界上性能最好的頻移，并且級(jí)聯(lián)頻移又可以用低頻微波直接獲取?>100 吉赫茲的頻移。

  因此，該成果可以應(yīng)用于所有需要光頻率調(diào)控的應(yīng)用中，這既包括原子的激光冷卻等基礎(chǔ)物理方面，又覆蓋通訊、量子計(jì)算、雷達(dá)等領(lǐng)域。

  據(jù)胡耀文介紹，該研究歷時(shí)兩年左右，總共經(jīng)歷理論構(gòu)建、器件制備、性能測(cè)量和優(yōu)化三個(gè)階段。其中，為實(shí)現(xiàn)更好的器件性能，他們?cè)趦?yōu)化工藝上大概花費(fèi)了一年多時(shí)間。

  “要想讓一項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生較大的影響力，一方面取決于概念上的創(chuàng)新，另一方面則需要盡可能地將工藝做到極致。它雖然是一個(gè)很枯燥的過程，但卻是必經(jīng)之路?！焙恼f。

  而在這個(gè)過程中，他也不可避免地遇到許多難以克服的問題。但只要看到一點(diǎn)可能性，他都會(huì)毅然決然地進(jìn)行嘗試，并積極地求教于身邊的人。

  “有一次，基本上我們整個(gè)課題組三十多個(gè)人都知道我有這個(gè)問題，因?yàn)槲野阉麄兠總€(gè)人都問了一遍。最后基于他們的經(jīng)驗(yàn)和我的反復(fù)嘗試，終于成功地解決了那個(gè)問題。”胡耀文說。

  另外，借助基于薄膜鈮酸鋰的電光耦合微腔平臺(tái)，2022 年，他?將耦合微腔和廣義臨界耦合理論應(yīng)用在電光頻梳領(lǐng)域，研發(fā)出具有超高性能的光學(xué)頻梳[2]。

  “相較于此前世界上最好的電光頻梳，該頻梳的轉(zhuǎn)換效率提高了 100 倍，并且?guī)捯蔡岣吡?2.2 倍。截至目前，該成果的性能在全球仍然首屈一指。”胡耀文表示。

  那么，從應(yīng)用上看，由于該頻梳在性能上顯著超越單個(gè)微腔的電光頻梳，因此可以完全替代單微腔電光頻梳，作為標(biāo)準(zhǔn)范式大規(guī)模生產(chǎn)。

  此外，他還將上述平臺(tái)應(yīng)用于光學(xué)合成維度的領(lǐng)域，展示出四維的頻率晶體[3]和頻率空間的合成鏡面（反射率>0.9999）[4]。

  實(shí)際上，上述兩項(xiàng)研究都屬于基于薄膜鈮酸鋰光子平臺(tái)的光電融合芯片研究。

  談及這些研究之間的關(guān)聯(lián)與區(qū)別，胡耀文表示，它們都涉及到光子-電子相互作用，本質(zhì)上相當(dāng)于通過電子來調(diào)控光子，這也是該平臺(tái)的最大優(yōu)勢(shì)所在。

  “它們的不同之處在于，頻移器是把光的顏色從一種變成另外一種；光頻梳的生成是把一種光的顏色轉(zhuǎn)換成很多種顏色，且這些顏色之間是等間隔的?！彼f。

  計(jì)劃將研究從器件層面提升到系統(tǒng)層面，助力光電融合芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多突破

  2013 年，胡耀文考入清華大學(xué)物理系。在校期間，他曾獲得清華大學(xué)本科生特等獎(jiǎng)學(xué)金、清華大學(xué)學(xué)生年度人物等多項(xiàng)榮譽(yù)。

  2018 年本科畢業(yè)后，他前往美國哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位。上述成果都是他在這一時(shí)期實(shí)現(xiàn)的。

  2023 年 4 月起，他在哈佛大學(xué)從事博士后研究，持續(xù)推進(jìn)新型的片上光子器件發(fā)展。10 個(gè)月后，他加入北京大學(xué)物理學(xué)院，擔(dān)任助理教授和研究員。

  如果從上面的個(gè)人履歷來看，胡耀文顯然是一位非常優(yōu)秀的學(xué)生和科研人才。但他本人卻坦言，自己從小到大都不能算是他人口中“別人家的孩子”。

  “不管是初中、高中，還是大學(xué)，每當(dāng)進(jìn)入一個(gè)新的環(huán)境，我都基本上處于‘倒數(shù)’的位置。但得益于一步步的努力和堅(jiān)持，以及對(duì)待困難時(shí)的那種韌性，我總能在去到下一個(gè)環(huán)境之前，走到當(dāng)前環(huán)境中最‘Top’的位置。”他說。

  提到創(chuàng)新，他表示：“我一開始覺得，創(chuàng)新就是從無到有。但做了這么多年的科研以后發(fā)現(xiàn)，世界上絕大多數(shù)創(chuàng)新，其實(shí)都來源于遷移、模仿和結(jié)合。比如，將 A 領(lǐng)域和 B 領(lǐng)域已有的東西進(jìn)行結(jié)合，放到 C 領(lǐng)域中，就能給 C 領(lǐng)域帶來非常大的意義。這就是我對(duì)創(chuàng)新的一種理解。”

  順著這個(gè)維度思考，胡耀文一般不會(huì)把創(chuàng)新歸結(jié)為靈光一閃，而是更傾向于在某一個(gè)領(lǐng)域持之以恒地進(jìn)行量的積累。

  “當(dāng)積累達(dá)到一定程度后，自然而然就能做出一些很重要的創(chuàng)新。”他說。

  如上所說，在入職北京大學(xué)之前，胡耀文主要完成了耦合微腔平臺(tái)的發(fā)展，并通過許多器件展示了該平臺(tái)所具備的潛力。

  在下個(gè)階段，他計(jì)劃將研究從器件層面提升到系統(tǒng)層面。

  例如，把耦合微腔頻移器拓展到系統(tǒng)層面，與基于周期性極化鈮酸鋰的單光子源相結(jié)合，制備頻率復(fù)用的確定性單光子源，或者用大量光電融合器件組成的光子電路來進(jìn)行通用計(jì)算、光量子計(jì)算等。

  “耦合微腔平臺(tái)只是光電融合芯片的一個(gè)子集。未來我希望在該領(lǐng)域做出更多突破，將光電融合芯片的發(fā)展推至更遠(yuǎn)?！焙恼f。