“頻率梳是一把測(cè)量頻率和時(shí)間的尺子，由一系列頻率嚴(yán)格等間隔的連續(xù)光分量組成，在光譜學(xué)、精密測(cè)量和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)上有著廣泛且深刻的運(yùn)用。” 

近日，《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”2020年中國(guó)區(qū)榜單揭曉，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后劉駿秋因解決了集成光芯片和孤子頻率梳的幾個(gè)關(guān)鍵難題上榜。

他和同事們研制出目前世界上體積最小、最緊湊的孤子微梳光芯片模塊，創(chuàng)造了每米光程0.5dB損耗的世界最低記錄。基于此，他們實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)生成、高速集成聲光調(diào)制、激光雷達(dá)以及激光自注入鎖定等技術(shù)應(yīng)用。

劉駿秋曾就讀于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班物理專業(yè)，2016年碩士畢業(yè)于德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，2020年在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）獲得理學(xué)博士學(xué)位。

一把測(cè)量頻率時(shí)間的尺子

12月10日在浙江紹興舉行的全球青年科技領(lǐng)袖峰會(huì)上，劉駿秋用三分鐘時(shí)間介紹了他的研究課題——基于光子芯片集成的頻率梳技術(shù)。

劉駿秋介紹光學(xué)頻率梳

光學(xué)頻率梳（optical frequency combs，OFC）是一種激光光源，其頻譜由一系列分立、均勻間隔的梳狀頻譜線組成，可用于時(shí)間和頻率的精確測(cè)量。2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半就被授予了對(duì)激光精密光譜學(xué)和光學(xué)頻率梳技術(shù)作出奠基性工作的兩位物理學(xué)家。自20世紀(jì)90年代第一臺(tái)頻率梳被成功研制，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，頻率梳向更小、更緊湊和成本更低發(fā)展。

劉駿秋介紹，他研發(fā)的集成光芯片頻率梳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)頻率梳難以實(shí)現(xiàn)或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，包括微波生成、天體光譜與校準(zhǔn)、尋找地外行星、中紅外雙梳光譜和激光雷達(dá)等等。

他在接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者專訪時(shí)介紹，他們的光芯片頻率梳曾幫助校準(zhǔn)西班牙拉帕爾馬的伽利略天文望遠(yuǎn)鏡GIANO-B。后者可以通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)行星的發(fā)射光譜來(lái)尋找地外行星。

他表示，傳統(tǒng)的、基于鎖模激光器的光頻梳，其重復(fù)頻率在射頻波段（小于1吉赫茲），因此無(wú)法與天體光譜儀的分辨率匹配。而光芯片頻率梳的重復(fù)頻率可被人為設(shè)計(jì)和控制在微波波段（10至30吉赫茲），可以做到完全匹配天體光譜議的分辨率，因此可以用來(lái)校準(zhǔn)天體光譜議。“校準(zhǔn)過(guò)的天體光譜議通過(guò)測(cè)量行星運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒頻移來(lái)尋找地外行星或分析其大氣成分。”

《麻省理工科技評(píng)論》在給劉駿秋的入選理由中寫道，“獲獎(jiǎng)人的成果為未來(lái)全芯片一體化的光信息生成、處理、探測(cè)創(chuàng)造更多的可能，并使得集成微腔光頻梳能夠應(yīng)用在一些新興的領(lǐng)域。此外，通信、微波、激光雷達(dá)、量子計(jì)算、芯片集成光原子鐘等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域有望因此實(shí)現(xiàn)突破。”

做超低損耗的光子芯片

這些新應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)得益于劉駿秋和同事在光子芯片領(lǐng)域的突破。

劉駿秋介紹，光損耗是光子芯片中最為核心的問(wèn)題，他所做的研究“非常技術(shù)”，是通過(guò)不斷提升微納加工的精準(zhǔn)控制，從而把芯片上的光損耗做低。

2020年6月17日，《自然》雜志介紹了他和同事在光芯片頻率梳的集成化方面實(shí)現(xiàn)突破。他們成功利用氮化硅材料制成超低損耗的光子芯片，并在其上實(shí)現(xiàn)了目前集成度最高、體積最小的實(shí)用化光芯片頻率梳。2020年7月15日，《自然》雜志又介紹了他和同事在光芯片上實(shí)現(xiàn)高速聲光調(diào)制器的技術(shù)突破。將此調(diào)制技術(shù)用于頻率梳的控制，他們證明了一種新型的集成激光雷達(dá)的技術(shù)方案。

這些研究的關(guān)鍵技術(shù)之一是劉駿秋研發(fā)的氮化硅大馬士革微納加工技術(shù)。該工藝中，氮化硅波導(dǎo)的損耗接近1 dB/m，是目前所有集成波導(dǎo)材料中超低損耗的世界紀(jì)錄。該研究也于2020年4月20日在《自然-光子學(xué)》雜志上發(fā)表。

氮化硅具有硬度大、密度高、絕緣、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在集成電路制造上有著廣泛的應(yīng)用，一般用于刻蝕的掩膜和封裝的包層。在劉駿秋開(kāi)始超低損耗氮化硅芯片研究的時(shí)候，很多人并不看好這一技術(shù)路徑。

“很多人認(rèn)為氮化硅的損耗已到瓶頸，無(wú)法做到更低。但他們給我的理由無(wú)法讓我信服。”

在這種情況下，劉駿秋身上的較真勁和競(jìng)技精神被激發(fā)出來(lái)。“我當(dāng)時(shí)想法很簡(jiǎn)單，就是要去找這個(gè)答案。我不一定能把損耗做的更低，如果是這樣我需要明確知道限制損耗的原因是什么。”

帶著“這個(gè)問(wèn)題很重要”和“找出答案”的想法，劉駿秋從2016年開(kāi)始博士階段學(xué)習(xí)時(shí)進(jìn)入氮化硅芯片研究領(lǐng)域，到2018年，他做出了初步成果。

“非常有意思”，劉駿秋饒有興致地講道，“2017年我們寫了一個(gè)proposal（研究計(jì)劃），說(shuō)在未來(lái)五年之內(nèi)我們要把光損耗做到3 dB每米。交了這個(gè)proposal半年后，我們就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。那時(shí)我們的proposal即將被正式批準(zhǔn)，可是我們已經(jīng)把提出的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了。”

那之后，劉駿秋確信自己可以解決氮化硅的低損耗難題，漸漸做出功能越來(lái)越復(fù)雜、工藝越來(lái)越優(yōu)化的氮化硅光子芯片。2020年，劉駿秋參與的3項(xiàng)相關(guān)研究登上《自然》正刊，5項(xiàng)登上《自然》子刊。

不是天才，做點(diǎn)技術(shù)

劉駿秋并非傳統(tǒng)意義上的學(xué)霸。他在采訪中說(shuō)，“我快30歲才博士畢業(yè)，中間走了很多彎路。正常人一切順利的話，27歲博士就畢業(yè)了。”

2008年，18歲的他因物理競(jìng)賽保送至中國(guó)科技大學(xué)，考入少年班。大學(xué)期間，他的成績(jī)?cè)谥械绕纤剑凰惆渭狻！霸诳拼螅磉吿觳藕芏唷？荚嚳疾贿^(guò)他們，我也沒(méi)有特別努力。那時(shí)候也沒(méi)想清楚未來(lái)怎么規(guī)劃，耽誤了很多時(shí)間。”

由于學(xué)習(xí)成績(jī)相對(duì)一般，劉駿秋沒(méi)有獲得心儀的美國(guó)研究生項(xiàng)目的錄取通知書。本科畢業(yè)一年之后，他到德國(guó)開(kāi)始碩士學(xué)習(xí)。

“那時(shí)候我認(rèn)清一個(gè)道理，我不是天才，做不了特別深特別難的物理。那我就想，不如多接觸些技術(shù)性強(qiáng)的學(xué)科，看看自己適合什么研究方向。”他說(shuō)自己本科期間“沒(méi)有好好學(xué)習(xí)”吃了虧，到德國(guó)之后專心學(xué)習(xí)，“一考試就是滿分”。畢業(yè)時(shí)，他的成績(jī)是全系第一名，并獲得了德國(guó)教育系統(tǒng)里最高的畢業(yè)榮譽(yù)。他發(fā)現(xiàn)自己可以繼續(xù)走科研這條路，便一直走到了現(xiàn)在。

集成氮化硅光芯片（圖片來(lái)源：劉駿秋，何吉駿）

談及科研的樂(lè)趣，劉駿秋舉著幾塊自己研制的光子芯片說(shuō)，“我非常享受一個(gè)人在超凈間里研究微納加工流程和制備樣品。這就像是完成一樣偉大的藝術(shù)品。我單純覺(jué)得從美學(xué)的角度上，我的整個(gè)工藝的流程具備對(duì)稱性，完整性。我很欣賞我做的這個(gè)工藝和我制備的樣品。非常漂亮。”

接下來(lái)，他將回到國(guó)內(nèi)，繼續(xù)從事光子芯片技術(shù)的研究和發(fā)展。