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 zzszn   2021-12-06 12:30   25 人閱讀  0 條評論

近日,生於 1991 年的歸國博士葉誌超,剛從瑞典查爾姆斯理工大學博士畢業,並將在杭州成立一家氮化矽光芯片公司。未來這家公司將使用的技術,也和他的最新論文成果息息相關。

9 月 15 日,Science Advances 報道了《在單片波導中克服光放大的量子限製》(Overcoming the quantum limit of optical amplification in monolithic waveguides),葉誌超擔任第一作者。

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圖 | 相關論文(來源:受訪者)

“用於微波信號的行波泵浦參量放大器,在超導電路量子計算技術上扮演著至關重要的功能,也是目前美國絕對領先、91抖音成长人版需要重點攻關的技術難題之一。而用於光波信號的參量放大器,是目前集成光學技術中,國際上少數幾個仍然沒有被完美實現、但是很多人非常期待的功能之一。葉誌超博士是目前國際上氮化矽非線性集成光學領域成果最為出色、技術最為全麵的青年科學家之一,他的此項工作無疑是近年來集成光學領域最重要的成果之一。” 談及同行葉誌超的最新成果,瑞士洛桑聯邦理工學院的劉駿秋博士這樣告訴 DeepTech。

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圖 | 葉誌超(來源:受訪者)

克服二十多年的難題

據悉,光學參量放大器依賴於非線性材料來放大光波,這種方法在相位敏感模式下工作時,可提供遠低於傳統放大器量子極限的噪聲係數。

也正因此,光學參量放大器引起了光通信、超快信號處理和量子計量等領域科學家的廣泛興趣。

截止目前,連續波泵浦的參量放大器,隻在體積龐大的係統中得到證明。例如,使用數百米基於三階非線性的高非線性光纖,或使用多個基於二階非線性的铌酸鋰平麵波導。

此前幾十年間,科學家們探索了高非線性材料,比如矽、砷化鋁镓、非線性玻璃、石墨烯和等離子體等。但是,基於這些高非線性材料的光波導都有較高的線性損耗,並且受限於非線性損耗,比如雙光子吸收或自由載流子吸收。

因此,目前基於三階非線性的集成參量放大器都采用脈衝光泵浦。這大大限製了它在實際中的應用,因為這種參量放大器無法放大實際應用中的隨機信號。

一直以來,科學家們希望在芯片集成的三階非線性平台上,實現連續光泵浦的參量放大,但做了二十多年始終未能取得滿意表現。而在這項成果中,葉誌超和其團隊首次在集成三階非線性平台上,實現了相關突破。

光學放大器是光科學、技術與應用中必不可少的元件。其中,在相位敏感模式下的參數放大器,它們在放大光信號的同時不會產生多餘的噪聲(不會降低信噪比),故此這一創新很有應用前景。

“殺手鐧”:超低損耗的氮化矽

研究中,葉誌超和其團隊使用超低損耗的氮化矽來解決該難題,他們在 23mm² 麵積的芯片上,製作了 1.4 米長的超低損氮化矽波導。

在該研究中,低損耗能提高波導的有效長度,從而實現較高的非線性相移,並產生放大器的增益。製作 1.4 米長的波導並不困難,但如果波導的損耗是 100 dB/m, 那麽波導有效長度隻有 0.04 米。而該團隊將波導的損耗降低到 1.4dB/m,可實現大於 1 米的波導有效長度。

氮化矽的能帶隙相對較大,因此它能極大減少光通信波段中的非線性損失。氮化矽和二氧化矽包層形成了適中的折射率對比度,使其同時允許高光學約束、低損耗、高功率處理。而在集成光子學中,集成氮化矽平台也是繼矽和磷化銦之後最成熟的材料,目前在非線性光信號的產生和處理上也有著核心應用。

盡管已有團隊在高 Q 氮化矽微諧振器上已取得成功,但低損耗氮化矽的米級別長波導,僅在低約束下可以實現。但由於此類波導的非線性較弱,因此並不適用於光學參數放大器。

因此,在實現基於四波混頻的、連續波泵浦參數放大的氮化矽中,必須實現具有高非線性和低傳播損耗的長波導。

葉誌超介紹稱,波導損耗是影響光學參量放大器性能的關鍵因素,因為它同時影響放大增益和噪聲係數。

如下圖所示,這是基於四波混頻的波導光學參量放大器的示意圖,輸入信號波在傳播過程中被泵浦光放大,並沿著傳播產生一個閑頻波,泵浦波因波導的損耗被衰減。

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(來源:Science Advances )

20 個波導幾乎個個 “完美無缺”

此外,他還利用先進的減法工藝製備了具有高光學約束色散控製的氮化矽螺旋波導。下圖展示了一個具有 9 個氮化矽波導的樣式芯片的照片,它級聯 23 個螺旋波導單元,可在 23mm² 的區域內構造一個 1.42 米長的波導。

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(來源:Science Advances )

葉誌超告訴 DeepTech:“近年來,美國哥倫比亞大學和瑞士洛桑聯邦理工學院的團隊,陸續展示了超低損耗(~1 dB/m)的氮化矽微環形諧振腔。但是,在米尺度的氮化矽波導中,實現超低損耗是對製作工藝的良率的巨大挑戰。舉例來說,如果 0.1 米長的波導的良率是 90%,那麽 1.4 米長的波導的良率僅僅隻有 20%。”

他在論文中寫道,波導基模的損耗為 1.4dB/m,這也是迄今為止在高光學約束、米尺度氮化矽波導中最低的損耗,這要求每個螺旋波導幾乎都得是完美無缺的。

他使用氮化矽波導,在相位不敏感和敏感模式下,分別進行了連續波泵浦參數放大實驗。

在相位不敏感模式下,該連續波泵浦的參量放大器實現了 6.4 dB 的增益,其噪聲係數為 3.3±0.4 dB,這也是首次在集成的三階非線性平台上實現連續光泵浦下的參量放大。

對於相位敏感的參量放大,芯片上測量的放大係數在 1556nm 波長處為 9.5dB,其噪聲係數僅為 1.2±0.4dB,該噪聲係數顯著小於光學放大器中的量子極限 3dB。

通過改變泵浦光的相位,該放大器的增益能形成周期性變化,最大增益和最小增益的消光比達到 20dB,是光學再生和壓縮的重要因素,因此在量子光學中極具應用前景。

是芯片級非線性光信號處理和無額外噪聲放大的裏程碑

研究中所獲得的增益和噪聲係數,代表了芯片級非線性光信號處理和無額外噪聲放大的一個裏程碑。

概括來說,在該研究中,葉誌超和其團隊展示了單個芯片中基於三階非線性的光學放大。此外,在進行相位敏感操作時,放大器的噪聲係數顯著低於傳統量子極限。

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(來源:Science Advances )

葉誌超預計,通過進一步減少波導損耗、增加波導長度和減少模式串擾,可實現更高的光學參量放大器增益。

需要注意的是,光學參數放大器還可擴展到其他波長,因為氮化矽從可見光到中紅外波長範圍內是透明的。結合氮化矽的優點,連續波泵浦氮化矽的光學參量放大器,或在光通信、超快光譜、未來在量子光學和計量方麵可能大有成就。

此前在超低損耗矽基光子學領域已經有所建樹的劉駿秋博士,繼續評論該成果稱:“不同於傳統的、僅在通訊波段工作的摻鉺放大器,光參量放大器幾乎適用於一切波段,且不引入額外噪聲。同時,參量放大器具備非互易性,即在放大有效光信號的同時,不會放大反射光或者噪聲光信號,從而能有效的保護激光源。這項工作成功實現了芯片集成的連續波泵浦光參量放大器,並論證了各項指標的優越性。”

此前全球從未有高校課題組攻克該難題

事實上,從讀博第一天開始,葉誌超的導師彼得·A.安德烈森(Peter A.Andrekson)就明確給他定下目標,要攻克這項從未有人攻克的難題。

他表示:“當時,這個目標對我來說就像珠穆拉瑪峰一樣遙不可及。我所在的團隊在起步相對落後,很多技術是空白,氮化矽波導的損耗就高達 150dB/m,遠落後於當時先進團隊所達到的 5dB/m 波導損耗。不過,我很高興能在博士期間,將氮化矽波導損耗成功降低 100 倍,撥開烏雲看到了 ‘珠峰’ 的美景。”

五年博士生期間,他逐步優化氮化矽波導的工藝、降低波導的損耗,然後再優化長波導的設計,接著提高工藝的良率,最終實現此結果。

而這也離不開其導師們的支持。其本科畢業於浙江大學光電信息工程學,碩博期間都留學於瑞典。他先是在 KTH 瑞典皇家理工學院拿到碩士學位,幾個月前博士畢業於查爾姆斯理工大學。

之所以選擇到 KTH 讀研,是因為該大學位於瑞典斯德哥爾摩市,這裏也是諾貝爾獎頒獎的地方,同時其本科導師、浙江大學時堯成教授在讀博期間,也曾在 KTH 留學。

讀博時來到查爾姆斯理工大學,則由於這裏的集成光學的項目很吸引他。他個人覺得集成光學非常有前景,同時當自己做出小芯片時,內心非常有自豪感。

截至發稿,葉誌超剛回國幾天有餘,問及後續計劃他說:“希望能和誌同道合的朋友將超低損氮化矽芯片在國內實現,並應用在學術界和工業界。”

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