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。

（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。

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. Hänsch，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。“尽管光频梳现在已经实现商业化，用户可以直接购买光频梳的小型装置，但这些商业光频梳装置整体仍然十分复杂、庞大且昂贵。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。

（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。

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，通过利⽤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。

（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。

刘骏秋曾在采访中提到：“我们创新地采用了深紫外步进式光刻、干刻蚀、化学气相沉积、化学机械抛光等技术用于氮化硅波导的制造，所产出的芯片波导损耗远低于传统的微纳加工技术，并使得大规模商业化生产成为可能。

基于氮化硅微腔的集成频率梳是构建高纯度通讯光源和超低相位噪音微波振荡器的关键模块，而大规模、复杂的氮化硅线性网络可以广泛使用在未来的集成化的相控阵激光雷达、量子计算和光神经网络等应用中。”

刘骏秋的研究成果不限于此。他在国际上首次实现孤子微梳的重复频率低至 10 千兆赫兹（GHz），可在大容量相干光通讯和超低噪声微波信号生成等技术上有关键应用。

他在国际上首次实现基于压电氮化铝材料和氮化硅芯片的单片集成，开创性的结合集成光学与微机电系统（MEMS）技术，实现孤子微梳的高速集成声光调制，相关结果 2020 年 7 月 16 日发表在《自然》期刊上。

刘骏秋研发和制备的氮化硅芯片也已被用在数个关键技术中，包括天体光谱仪校准、平行多通道相干光学雷达、中红外双梳光谱、光神经网络和光学相干断层扫描。同时，这些氮化硅芯片也被用于数个国际合作中，合作者包括著名研究机构和工业界领先的技术公司。

此外，由他研发的氮化硅微纳加工技术以及相关的设计、仿真、测试和封装技术已被技术转移至数家新创公司，这些公司目前致力于商业化氮化硅芯片以及基于氮化硅的光科技产品。

工匠精神

尽管已在氮化硅光芯片微梳技术方面取得诸多成绩，30 岁的刘骏秋却称 “自己不是最优秀的学生”。刘骏秋本科毕业于中国科学技术大学少年班。在中国，提到 “中科大少年班”，大家几乎都会联想到 “天才” 二字。

（图 | 基于刘骏秋制备的氮化硅芯片现已实现的技术）

对于自己在科研上的表现，刘骏秋认为用 “工匠精神” 来形容最为准确。“没有人会用工匠精神来形容一个天才，大部分情况下工匠精神是用来形容平凡人的，对吧？” 刘骏秋说。

本科毕业后，刘骏秋未能如愿申请到理想的美国名校研究生项目。“我在科大时不是最优秀的学生。本科毕业时，我想去美国攻读博士学位，申请了两年都没有获得心仪学校的青睐。优秀的学生太多了，相对而言，我没有那么突出。” 他回忆道。这使刘骏秋一度怀疑自己是否适合做科研。

“很长一段时间，我的心情都很低落。但是没有办法，这就是现实。能做的就是把未来的路走好。” 尽管如此，求知欲和好奇心还是支撑他在科研道路继续前行，他最终选择去德国埃尔朗根 - 纽伦堡⼤学继续学业。这所学校在光学领域享有世界级的声誉，同时也是 MP3 格式和西门子的发源地。2016 年，刘骏秋以光学专业排名第一的成绩毕业并获得荣誉硕士学位。

保持求知欲、保持好奇心、放低姿态，这成为他以后科研生涯的底色。“杨振宁先生说过，做科研需要 Perspective（观点），Perseverance（毅力）和 Power（力量）。这句话一直是我的座右铭。”

刘骏秋的博士研究工作主要是半导体微纳加工，而他此前并没有接触过这方面的研究。“一开始我在课题组内其实处于一个比较边缘的位置。” 他说。

他几乎参与了氮化硅光芯片制备的全流程，“因为这里有很多重复性的工作。” 这些重复性的工作要求每一步微纳工艺步骤都必须完美，意味着不断的推倒重来。

“超净间微纳加工的工作是比较幸苦的，因为这个工作要求长时间待在超净间，不能上厕所，不能喝水，也不能用手机。经常还要晚上或者周末过去，因为一些仪器只有在这些时间可以使用。”

刘骏秋承担了这个工作，并且很快就做出了让导师和课题组认可的成绩。他说：“我并没有认定自己一定要做大科学，而是把姿态放得比较低。这个工作需要我来承担，需要我去做贡献，那我就把它做好。我就是这样想的。

他在研究过程中受到过不少质疑，同事曾毫不客气地说：“你做的这个项目是不可能成功的，你非常天真。” 不过，严谨的科学态度让他保持正确的方向，强大的信念和踏实让他坚持下来。

刘骏秋认为，好的工作需要在不断的重复中思考如何完善，就像他的爱好健身一样，“想让肌肉长得更快，不仅仅是要常去锻炼，更重要的是思考正确的训练方法。”

将先进知识和前沿技能带回国

刘骏秋本科论文的研究内容是冷原子量子模拟，硕士学习课程主要是激光技术和光纤光学。这两个学科中国在世界上都处在领先地位。

在选择去往瑞⼠洛桑联邦理⼯学院（EPFL）攻读博士学位前，刘骏秋就已经有了自己的 “初心”。“在德国读书期间，我认识到，我应该学习一些国内相对空缺或者薄弱的学科…… 结合当时我个人的一些兴趣，我申请了当时欧洲最顶尖的几个研究组，并最后决定加入 EPFL 开展我的博士论文研究。” 刘骏秋回忆。

“未来，我渴望将我这些年在国外学习的先进知识和前沿技能带回国，在国内建立起这样一套完整的技术。我非常有信心能实现这一目标，并在此之上探索新的研究领域、发展新的核心技术，希望未来能将我研发的成果运用在我国通信、微波、量子计算、芯片集成光原子钟等关键技术领域。” 他说。