孤子|刘骏秋：研制氮化硅光学芯片技术，实现光频梳小型化和低成本( 二 )

2007 年，刘骏秋的博士导师 Tobias Kippenberg 教授首次实现在超低损耗、克尔非线性光学微腔内生成光频梳（简称微梳）。紧接着，这些基于光学微腔的微梳被发现可以用来生成在微腔里循环的、足够稳定和相干的超短光脉冲 —— 耗散克尔孤子。
与基于传统锁模激光器的光频梳不同，这种孤子微梳是一种在高品质光学微腔中利用非线性光学手段产生的光频梳。
“一直以来，光频梳都是通过锁模激光器和非线性超连续来产生的。” 刘骏秋说，“由于光学微腔具有体积小、能耗低、造价相对便宜等优点，孤子微梳使大规模、低成本的光频梳模块生产成为可能。”
近年来，通过利?半导体微纳加工技术，光学微腔已经可以在集成材料中实现，例如集成电路制造中常用的氮化硅材料。因此，刘骏秋认为，基于氮化硅光芯片的孤子微梳已成为光频梳的一项实现方案，甚至在未来有望成为主流平台，使全芯片一体化的光信息生成、处理、探测成为可能。
刘骏秋的研究工作正是聚焦于解决氮化硅光芯片微梳技术发展中的关键难题。在 2020 年 4 月 20 日发表于《自然 – 光子学》期刊上的研究中，刘骏秋阐述了由他开发和研制的氮化硅光子大马士革工艺。这是一种创新和强大的 CMOS 半导体微纳加工技术。
他表示，利用大马士革工艺制备的集成氮化硅光路可达到 0.5 dB 每米光程的超低光损耗，是目前世界上所有集成光学材料中的最低记录。同时，他在文章中演示了一个光频梳的重要应用，即利用光频梳生成低噪声的微波信号。
氮化硅光芯片的衬底是硅，其上是二氧化硅，镀层使用的材料是氮化硅。氮化硅是一种已在 CMOS 微电子电路中使用的材料，并且在最近十年中广泛用于构建光芯片上的超低损耗微谐振腔和复杂网络。

文章插图

（来源：何吉骏和刘骏秋）
刘骏秋介绍，氮化硅集成波导将光限制和引导在微米到纳米尺度的结构上，其制造过程是一套完整的 CMOS 工艺，包含四个步骤：器件仿真设计、微纳加工、器件测试和封装。四个步骤形成一个闭环反馈。
首先需要通过仿真确定微纳结构的尺寸以及结构，并分析光在这种结构中的传播特性。他介绍说，光频梳的结构比较简单，在直波导结构中通过把光纤把光耦合进光芯片，高耦合效率对应低耦合光损耗。
然后使用专业的软件或 Python 将芯片的平面结构绘制出来，同时需要和光刻机的分辨率兼容以便进行微纳加工。在加工制成后，测试光纤到芯片的耦合效率、微腔的光损耗以及色散性质。测试结果及时反馈到设计和工艺上，促进有针对性的改进。反复几个流程，芯片器件的表现达到最优。
“我们现在做的氮化硅非线性波导的损耗是全世界最低的，我们可以将其与半导体激光器结合在一起，因为激光器的输出功率是有限的，如果氮化硅的损耗不够低，孤子微梳是不可能在有限的功率下产生的。” 刘骏秋在今年早些时候接受 DeepTech 采访时说。
他研制的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。2020 年 5 月 14 日的《自然》期刊以封面形式重点报道了刘骏秋所在课题组基于氮化硅技术的激光雷达工作。
2021 年 1 月 6 日，《自然》又报道了刘骏秋参与的国际合作项目利用氮化硅光频梳和复杂网络实现的光子卷积神经网络工作。他制备的氮化硅芯片在这些工作里起到了关键作用。
结合氮化硅光芯片的混合集成光频梳模块还可应用于多个领域，例如数据中心中的收发器、光原子钟、光学相干断层扫描、微波光子学和光谱学。