中科大学子在氮化硅集成芯片频率梳领域实现重大突破

5月14日，《Nature》封面成果介绍了激光雷达工作的成果。据了解，该成果重要贡献者之一刘骏秋是中国科学技术大学08级少年班学院校友。刘骏秋负责了该成果最核心技术——氮化硅芯片制备。该芯片基于4月20日在《Nature Photonics》上刊登的一篇论文，刘骏秋是该论文的第一作者。

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这篇论文名为“Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs”，展示的是由Tobias J. Kippenberg领导的EPFL（瑞士洛桑联邦理工学院）研究小组演示的脉冲重复频率低至10GHz的集成孤子微梳。论文第一作者是刘骏秋（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。

在现在的信息社会，无线网络、电信、雷达等电信和微波信号的合成、分发和处理无处不在。目前的趋势是使用高频段的载波，尤其是5G和 "物联网 "等需求带来的带宽瓶颈的出现，使得载波的使用成为了趋势。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。

微波光子学的一个重要组成部分是光学频率梳，它可以提供数百条等距且相干的激光线。它们是具有稳定重复率的超短光脉冲，精确地对应于梳齿线的频率间隔。脉冲的光电检测产生微波载体。

近年来，由连续波激光器驱动的非线性微谐振器产生的芯片级频率梳取得了重大进展。这些频率梳依赖于耗散的Kerr孤子的形成，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，这些频率梳通常称为“孤子微梳”。

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。

EPFL小组实现了足够低的光学损耗，以允许光在直径仅为1微米或比人发小100倍的波导中传播近1米。该损耗水平仍比光纤中的损耗水平高三个数量级以上，但代表了迄今为止对于集成非线性光子学而言任何严格限制的波导中的最低损耗。

如此低的损耗是EPFL科学家开发的一种新制造工艺的结果，即“氮化硅光子Damascene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。

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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”。刘骏秋制备的氮化硅芯片，在此项工作里起到了关键作用。

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。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41566-020-0617-x

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