氮化硅|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

1 秒有多久？在 1967 年召开的第 13 届国际度量衡大会对秒的定义是：铯原子两个超精细能阶间跃迁辐射 9192631770 次震荡所持续的时间。
原子钟以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确，精确测量了 1 秒所持续的时间。从 NIST-7 铯原子钟 600 万年不差 1 秒，到 NIST-F2 铯原子钟声称在 3 亿年的时间内的误差不会超过 1 秒钟。
时间测量越来越精准，这背后离不开光学频率梳的发展。

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（来源：何吉骏和刘骏秋）
光学频率梳是在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱，这些离散的、等间距频率的光谱就像梳子一样，在计时、测距、微波合成和光谱学等领域有着重要应用。
“光频梳是测量频率和时间的尺子。” 这是刘骏秋深耕的领域。这位出生于 1990 年、刚毕业的博士生，被他的母校中国科学技术大学称为 “科大少年班的 90 后骄子”，目前已经在该领域做出了举世瞩目的成绩，研究成果四次发表在全球顶级学术期刊《自然》正刊上。

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图 |《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者刘骏秋
结合光电子技术和微波技术，突破信号处理的瓶颈限制
当前，人类已经进入信息社会，这其中的射频及微波信号的合成、分发和处理，在无线通讯、雷达等应用中无处不在。近年来，5G、物联网等新兴信息技术的出现和发展，使得人们的生活方式更便捷更智能，极大促进了工业生产和社会发展。
与此同时，随着智能设备数量的快速增加和软硬件功能的持续迭代，对通信带宽的要求也越来越高。如今低通信频段的频谱也已十分拥挤，难以满足未来通信领域日益增长的需求。为了克服这一瓶颈，目前的解决手段是在更高的频段中实现通信，而这一解决方案可由微波光子学来提供。
微波光子学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。光学频率梳是微波光子学的核心模块之一，它是一种具有稳定重复率的超短光脉冲，可提供数百条等距且相干的激光线，能精确对应梳齿线的频率间隔。
“自首次实现光频梳以来的二十多年里，光频梳对定义时间、光谱学、精密测量等起到了深远的影响。” 刘骏秋介绍说。2005 年，诺贝尔物理学奖的一半授予 J. Hall 和 T. H?nsch，便是为了表彰他们在光频梳技术的发明、发展和应用中起到的奠基性贡献。
利用光频梳，不仅可以制造光原子钟以精确测量时间，也可以让光纤通信各通道之间的干扰减少，使单根光纤传输的信号量增加几个数量级。此外，光频梳在气体成分分析、全球定位系统 GPS、天体观测、激光雷达等技术上也有广泛应用。
可集成氮化硅芯片频率梳
然而，如何实现小型化、低成本、可大规模生产的光频梳仍是科学家探讨的主要问题之一。。正因如此，当下光学领域一个非常重要的研究方向便是研究下一代小型化光频梳。” 刘骏秋说。

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（来源：何吉骏和刘骏秋）
目前光频梳的实现主要有两种：传统的、成熟的方式是基于锁模激光器实现的光频梳；新兴技术是基于微谐振腔和半导体激光器技术等实现的小型化和芯片级光频梳。后者是唯一有希望真正实现芯片级集成化光频梳的技术，但是距离大规模实用化仍然面临诸多技术挑战，处于进一步发展中。