90后海归博士破解单波导中光放大的量子限制，已回国着手创办公司近日

近日，生于1991年的归国博士叶志超，刚从瑞典查尔姆斯理工大学博士毕业，并将在杭州成立一家氮化硅光芯片公司。未来这家公司将使用的技术，也和他的最新论文成果息息相关。
9月15日， ScienceAdvances报道了《在单片波导中克服光放大的量子限制》（Overcomingthequantumlimitofopticalamplificationinmonolithicwaveguides），叶志超担任第一作者。

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图|相关论文（来源：受访者）
“用于微波信号的行波泵浦参量放大器，在超导电路量子计算技术上扮演着至关重要的功能，也是目前美国绝对领先、我们需要重点攻关的技术难题之一。而用于光波信号的参量放大器，是目前集成光学技术中，国际上少数几个仍然没有被完美实现、但是很多人非常期待的功能之一。叶志超博士是目前国际上氮化硅非线性集成光学领域成果最为出色、技术最为全面的青年科学家之一，他的此项工作无疑是近年来集成光学领域最重要的成果之一。 ”谈及同行叶志超的最新成果，瑞士洛桑联邦理工学院的刘骏秋博士这样告诉DeepTech 。

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图|叶志超（来源：受访者）
克服二十多年的难题
据悉，光学参量放大器依赖于非线性材料来放大光波，这种方法在相位敏感模式下工作时，可提供远低于传统放大器量子极限的噪声系数。
也正因此，光学参量放大器引起了光通信、超快信号处理和量子计量等领域科学家的广泛兴趣。
截止目前，连续波泵浦的参量放大器，只在体积庞大的系统中得到证明。例如，使用数百米基于三阶非线性的高非线性光纤，或使用多个基于二阶非线性的铌酸锂平面波导。
此前几十年间，科学家们探索了高非线性材料，比如硅、砷化铝镓、非线性玻璃、石墨烯和等离子体等。但是，基于这些高非线性材料的光波导都有较高的线性损耗，并且受限于非线性损耗，比如双光子吸收或自由载流子吸收。
因此，目前基于三阶非线性的集成参量放大器都采用脉冲光泵浦。这大大限制了它在实际中的应用，因为这种参量放大器无法放大实际应用中的随机信号。
一直以来，科学家们希望在芯片集成的三阶非线性平台上，实现连续光泵浦的参量放大，但做了二十多年始终未能取得满意表现。而在这项成果中，叶志超和其团队首次在集成三阶非线性平台上，实现了相关突破。
【90后海归博士破解单波导中光放大的量子限制，已回国着手创办公司】光学放大器是光科学、技术与应用中必不可少的元件。其中，在相位敏感模式下的参数放大器，它们在放大光信号的同时不会产生多余的噪声（不会降低信噪比），故此这一创新很有应用前景。
“杀手锏”：超低损耗的氮化硅
研究中，叶志超和其团队使用超低损耗的氮化硅来解决该难题，他们在23mm2面积的芯片上，制作了1.4米长的超低损氮化硅波导。
在该研究中，低损耗能提高波导的有效长度，从而实现较高的非线性相移，并产生放大器的增益。制作1.4米长的波导并不困难，但如果波导的损耗是100dB/m ，那么波导有效长度只有0.04米。而该团队将波导的损耗降低到1.4dB/m ，可实现大于1米的波导有效长度。
氮化硅的能带隙相对较大，因此它能极大减少光通信波段中的非线性损失。氮化硅和二氧化硅包层形成了适中的折射率对比度，使其同时允许高光学约束、低损耗、高功率处理。而在集成光子学中，集成氮化硅平台也是继硅和磷化铟之后最成熟的材料，目前在非线性光信号的产生和处理上也有着核心应用。