Light人物:专访集成光子学先驱陈险峰教授
发布时间:2022-10-03 11:13:42

  1969年,Stewart E. Miller发表了“Integrated optics: an introduction”,概述了对微型激光束电路形式的构想,标志着第一篇集成光子学研究论文的诞生。半个世纪以来,集成光子学从局限于集成有限数量的器件和功能,逐渐向多功能、工业化的光子集成电路发展壮大。

  本次访谈,Light: Science & Applications邀请了陈险峰教授分享他对于集成光子学的过去,现在和未来的见解。

  在过去的三十年中,他的主要研究方向为非线性光学、集成光学、微纳米光子学、量子光学和生物光子学,尤其是在光学物理学的基础理论及其在国家需求中的应用方面取得了一些成果。陈险峰教授在Nature,Nature Photonics,Physics Review Letters,Light: Science & Applications等国际权威期刊上发表了300多篇期刊论文,论文被引用次数超过5000次。陈险峰教授曾担任40多个学术会议的协办人、会议主席、分会主席和委员会成员。2010年,由于其在准相位匹配非线性光学和光与纳米结构材料相互作用方面的贡献获得亚太物理协会联合会杨振宁奖(AAPPS,C. N. Yang Award)。

  致谢:郭宸孜致谢中国科学院青年创新促进会会员项目[No. 20211214].

  Q:集成光子学给光电领域带来了那些变化?目前集成光子学的主要挑战和机遇有哪些?

  A:集成光子学将光子器件的规模压缩到电子器件的规模,使二者具有CMOS兼容、相互集成、大规模集成的特点,使得光电子集成芯片成为可能。目前,集成光子学的应用已经非常广泛,包括光通信、传感、信息处理、计算和光存储。此外,还有其他领域,比如材料科学研究、光学仪器、光谱学研究等。目前这些应用基本上实现了对强度、相位、偏振和光谱的操纵或探测。通过更高密度的光子器件集成和电子集成,我相信光电子芯片在未来会有更大的发展空间。目前,没有一种完美的材料能够涵盖集成光子器件的所有功能。因此,主要的挑战包括高质量的异质集成以及低成本、低耦合损耗。

  Q:长期以来,硅一直是集成光子学的成熟材料,但材料技术的进步带来了许多新的选择。您能否介绍几种较有应用前景的集成光子学材料及其主要优缺点?

  A:硅基光子集成平台受到了极大的关注,因为它在电子和光子的单片集成方面具有强大的潜力,同时,它依赖于目前成熟的低成本、大规模CMOS集成电路制造工艺。另一个良好的光子集成平台是磷化铟材料体系(III-V族半导体),它具有易于制造光源的天然优势。然而,它的单片集成工艺复杂而昂贵,为了实现单片集成,需要依靠选区生长、对接耦合生长或量子阱杂化等工艺。由于铌酸锂和二氧化硅波导具有非常低的光纤插入损耗,所以它们被广泛用于光通信行业。然而,由于掺杂波导限制光线的能力有限,无法实现大规模集成。目前绝缘体上铌酸锂薄膜材料(LNOI)是一种热门的新型薄膜材料。LNOI具有优良的光学性能,尤其是大的光学窗口、超低的吸收损耗、非常强的电光效应和非线性效应。目前已经实现在电光调制器和非线性频率转换方面的应用。

  Q:您的团队在基于LiNbO₃的芯片级光电器件方面处于领先地位,晶圆级、高质量绝缘体上铌酸锂薄膜材料(LNOI)实现商业化后,一些铌酸锂薄膜器件的性能已经超越块体铌酸锂晶体制备的同类器件。然而,诸如电荷载流子效应等挑战也伴随着铌酸锂材料而出现。您能否谈谈LNOI光电器件的主要挑战和解决方案?

  A:我们的团队专注于铌酸锂和LNOI的光子学及其应用已经超过25年。我们是中国最早进入这一领域的研究小组之一。在成功实现LN蚀刻后不久,LNOI通过利用LN的非线性、电光、声光效应,证明了其在光学操纵方面的优势。LN本身无法用于光发射或探测。LNOI光电子学的主要挑战是片上激光源和探测器的完全集成。最近已经报道了通过离子掺杂和异质集成解决相应问题的可行方案。但仍有大量的工作待完成。

  Q:铌酸锂因其较大的二阶、三阶非线性极化率张量而为人所知,这使得高效的电光调制器、非线性光频率转换和光频梳成为可能。非线性动力学(尤其是LNOI中的非线性动力学)给集成光子学带来或将带来哪些变化?以及目前需要克服的主要障碍有哪些?

  A:LNOI同时具有强非线性与强约束的优势。这使得LNOI器件的效率远优于其他传统的同类器件。最近,已经实现了基于LNOI的高性能电光调制器、频率转换器和频率梳产生器,它们将在通信、微波光子学、量子光学和其他领域发挥重要作用。对于非线性来说,这也意味着使用相同的输入功率可以触发更强的光与物质相互作用,这将为实现各种光学处理和计算提供新的方法。然而,这也意味着该系统对缺陷非常敏感。未来,通过成熟的大规模制造,结合铌酸锂的强二阶、三阶非线性和纳米结构特性,我们相信LNOI可以实现更复杂的非线性系统。因此,光纤与纳米波导的耦合以及波导的功率处理能力是影响非线性器件应用的主要障碍。

  A:光纤到芯片的耦合一直是密集集成光子学应用的主要问题之一。这个问题对于硅光电子学也是类似的。硅基集成的几种耦合方案已被直接采用到LNOI平台上。目前LNOI芯片耦合的方案包括模式转换结构,主要采用双层波导锥形结构,耦合损耗可以降低到1dB。另一个较受青睐的方案是光栅耦合器。光栅耦合技术的制造工艺相对简单,但一般来说耦合效率不是很高。

  Q:您最近发表在Light: Science & Applications的文章中介绍了一种周期性极化的铌酸锂波导,并在实验中展示了一个15个用户的量子安全直接通信(QSDC)网络,通过这个网络,任何两个用户都可以通过长达40千米的光纤进行通信,且纠缠态的保线%。这项工作会带来哪些改变?您能否预测一下不久的将来QSDC网络的通信距离和传输速率?QSDC网络中还有哪些主要问题待解决?

  A:量子安全直接通信(QSDC)具有更简单的协议、更少的潜在安全漏洞和更高的安全保证,整体上增强了量子通信的安全性和价值取向。构建量子网络对于QSDC的广泛应用非常重要。在我们的网络方案中,每个用户通过共享不同波长的纠缠光子对与其他用户互连。为了构建网络结构,总共有30个波长通道的纠缠光子分发给15个用户。在利用和频过程进行贝尔态测量后,两两用户间会产生相应的符合事件。这使得四组编码的纠缠态能同时被识别,而无需后续选择。此外,在采用高性能探测器以及高速调制器的情况下,信息传输率有望提升至大于100kbps。基于纠缠网络的QSDC也可用于多个网络的互连。通过在网络结构中设置量子中继器,可以实现不同区域的多个网络互接。同时,这种方案也可以应用于量子隐形传态等实验。

  A:LNOI最具吸引力的特点是铌酸锂(LN)的优越性能及其密集光子学集成的适用性。几十年来,LN是许多应用的最佳平台之一,以光子学和量子光学为主。然而,高密度集成在块体LN中仍然没有得到很好的解决。在强大的光约束下,光与物质的相互作用已经达到了前所未有的效率水平。LNOI的应用前景还未到尽头。对于基础光物理,纳米尺度下光与物质的强相互作用将催生许多实用器件。包括单光子操纵器、逻辑门和量子计算电路等高度集成的量子器件都在设想之中。

  Q:摩尔定律很好地预测了过去数十年集成电路的发展,在集成光子学中是否有类似这种公认的规律?

  A:在过去的半个世纪中,集成电路,即硅基电子的发展趋势很好地遵循着摩尔定律。然而,在计算能力方面,集成光子学很难与成熟的微电子集成技术相比拟。因为集成光子学技术仍处于起步阶段。目前,硅基电子技术的发展已经接近了物理极限,晶体管的尺寸已经缩小到纳米尺寸,即接近几个原子常数的尺寸。而且随着晶体管的密度越来越大,功耗也越来越严重。从这些物理阻碍来看,在芯片方面,光纤超过铜缆已经成为共识。这一趋势将经历从电子、光电到光子芯片的三个阶段。集成光子学将逐渐占据主导地位。我们完全有理由期待,用于通用计算的光子芯片将在年轻一代中盛行,就像硅基电子在我们这一代盛行一样。

  Q:您一直在领导一个研究兴趣多样的大团队,我知道您有一个非常聪明可爱的小孩,您能分享一下如何处理工作与生活平衡的经验吗?

  A:是的,我们的研究兴趣和我们的小组成员一样多样化。在我的实验室,我们有一群具有极高自我驱动力的年轻学生和研究人员。每个人都有自己的优势。我们鼓励每个人去从事那些既重要又适合自己背景的科学课题。我常告诉他们,做你喜欢的事,喜欢你做的事。有了这样的理念,你就会有足够的激情来面对任何困难。这有助于提高你的积极性和参与度,从而产生更高的生产力。这是一个正反馈循环。这也是我工作和生活中的准则,这确实有助于我实现自己的工作和生活平衡。我享受我正从事的科学研究。我的儿子也非常喜欢科学。尽管他只有五岁,但他知道很多关于数学、天文学、光学甚至是量子物理学的基本知识。科学对他来说似乎很自然。对我来说,工作和生活之间的传统划分正在逐渐消失。即使和家人在一起的时候,我也不会完全离开工作。

  郭宸孜,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(长春光机所)员工,任长春光机所 Light学术出版中心副总编、卓越计划高起点新刊eLight编辑部主任、卓越计划领军期刊Light: Science & Applications(Light)责任编辑,中科院青促会会员,兼任中国科技期刊编辑学会国际交流与合作工作委员会委员、中国科技期刊编辑学会青委会委员。曾获第三届全国科技期刊青年编辑大赛一等奖、中国科协优秀科技论文处理编辑表彰、中科院科技出版先进个人奖、长春光机所先进个人、中科院长春分院“青年先锋”等重要奖项,主持了卓越计划高起点新刊、中国科技期刊编辑学会基金课题、吉林省科协科普项目多个国家、省部级项目,作为共作者出版译著《光学与光子学:美国不可或缺的关键技术》(科学出版社),在Nano Today, Nanomaterials, Science China Materials, Applied Optics,Applied Sciences, Nanotechnology, Japan Science and Technology Agency(日本科技振兴机构),编辑学报等发表文章20余篇。曾代表Light出席联合国国际光日筹备委员会,在国际学术会议作邀请报告30次。

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