來源：雪球App，作者：DeepTech深科技，（

　　

近日，生于1991年的歸國博士葉志超，剛從瑞典查爾姆斯理工大學(xué)博士畢業(yè)，并將在杭州成立一家氮化硅光芯片公司。未來這家公司將使用的技術(shù)，也和他的最新論文成果息息相關(guān)。

　　

9月15日，ScienceAdvances?報道了《在單片波導(dǎo)中克服光放大的量子限制》（Overcomingthequantumlimitofopticalamplificationinmonolithicwaveguides），葉志超擔任第一作者。

　　

圖|相關(guān)論文（來源：受訪者）

　　

“用于微波信號的行波泵浦參量放大器，在超導(dǎo)電路量子計算技術(shù)上扮演著至關(guān)重要的功能，也是目前美國絕對領(lǐng)先、我們需要重點攻關(guān)的技術(shù)難題之一。而用于光波信號的參量放大器，是目前集成光學(xué)技術(shù)中，國際上少數(shù)幾個仍然沒有被完美實現(xiàn)、但是很多人非常期待的功能之一。葉志超博士是目前國際上氮化硅非線性集成光學(xué)領(lǐng)域成果最為出色、技術(shù)最為全面的青年科學(xué)家之一，他的此項工作無疑是近年來集成光學(xué)領(lǐng)域最重要的成果之一?！闭劶巴腥~志超的最新成果，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的劉駿秋博士這樣告訴DeepTech。

　　

圖|?葉志超（來源：受訪者）

　　

克服二十多年的難題

　　

據(jù)悉，光學(xué)參量放大器依賴于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，可提供遠低于傳統(tǒng)放大器量子極限的噪聲系數(shù)。

　　

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

　　

截止目前，連續(xù)波泵浦的參量放大器，只在體積龐大的系統(tǒng)中得到證明。例如，使用數(shù)百米基于三階非線性的高非線性光纖，或使用多個基于二階非線性的鈮酸鋰平面波導(dǎo)。

　　

此前幾十年間，科學(xué)家們探索了高非線性材料，比如硅、砷化鋁鎵、非線性玻璃、石墨烯和等離子體等。但是，基于這些高非線性材料的光波導(dǎo)都有較高的線性損耗，并且受限于非線性損耗，比如雙光子吸收或自由載流子吸收。

　　

因此，目前基于三階非線性的集成參量放大器都采用脈沖光泵浦。這大大限制了它在實際中的應(yīng)用，因為這種參量放大器無法放大實際應(yīng)用中的隨機信號。

　　

一直以來，科學(xué)家們希望在芯片集成的三階非線性平臺上，實現(xiàn)連續(xù)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(xiàn)。而在這項成果中，葉志超和其團隊首次在集成三階非線性平臺上，實現(xiàn)了相關(guān)突破。

　　

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

　　

“殺手锏”：超低損耗的氮化硅

　　

研究中，葉志超和其團隊使用超低損耗的氮化硅來解決該難題，他們在23mm2?面積的芯片上，制作了1.4米長的超低損氮化硅波導(dǎo)。

　　

在該研究中，低損耗能提高波導(dǎo)的有效長度，從而實現(xiàn)較高的非線性相移，并產(chǎn)生放大器的增益。制作1.4米長的波導(dǎo)并不困難，但如果波導(dǎo)的損耗是100dB/m，那么波導(dǎo)有效長度只有0.04?米。而該團隊將波導(dǎo)的損耗降低到1.4dB/m，可實現(xiàn)大于1米的波導(dǎo)有效長度。

　　

氮化硅的能帶隙相對較大，因此它能極大減少光通信波段中的非線性損失。氮化硅和二氧化硅包層形成了適中的折射率對比度，使其同時允許高光學(xué)約束、低損耗、高功率處理。而在集成光子學(xué)中，集成氮化硅平臺也是繼硅和磷化銦之后最成熟的材料，目前在非線性光信號的產(chǎn)生和處理上也有著核心應(yīng)用。

　　

盡管已有團隊在高Q氮化硅微諧振器上已取得成功，但低損耗氮化硅的米級別長波導(dǎo)，僅在低約束下可以實現(xiàn)。但由于此類波導(dǎo)的非線性較弱，因此并不適用于光學(xué)參數(shù)放大器。

　　

因此，在實現(xiàn)基于四波混頻的、連續(xù)波泵浦參數(shù)放大的氮化硅中，必須實現(xiàn)具有高非線性和低傳播損耗的長波導(dǎo)。

　　

葉志超介紹稱，波導(dǎo)損耗是影響光學(xué)參量放大器性能的關(guān)鍵因素，因為它同時影響放大增益和噪聲系數(shù)。

　　

如下圖所示，這是基于四波混頻的波導(dǎo)光學(xué)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，并沿著傳播產(chǎn)生一個閑頻波，泵浦波因波導(dǎo)的損耗被衰減。

　　

（來源：ScienceAdvances?）

　　

20個波導(dǎo)幾乎個個“完美無缺”

　　

此外，他還利用先進的減法工藝制備了具有高光學(xué)約束色散控制的氮化硅螺旋波導(dǎo)。下圖展示了一個具有9個氮化硅波導(dǎo)的樣式芯片的照片，它級聯(lián)23個螺旋波導(dǎo)單元，可在23mm2?的區(qū)域內(nèi)構(gòu)造一個1.42米長的波導(dǎo)。

　　

（來源：ScienceAdvances?）

　　

葉志超告訴DeepTech：“近年來，美國哥倫比亞大學(xué)和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的團隊，陸續(xù)展示了超低損耗（~1dB/m）的氮化硅微環(huán)形諧振腔。但是，在米尺度的氮化硅波導(dǎo)中，實現(xiàn)超低損耗是對制作工藝的良率的巨大挑戰(zhàn)。舉例來說，如果0.1米長的波導(dǎo)的良率是90%，那么1.4米長的波導(dǎo)的良率僅僅只有20%?！?/p> 　　

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

　　

他使用氮化硅波導(dǎo)，在相位不敏感和敏感模式下，分別進行了連續(xù)波泵浦參數(shù)放大實驗。

　　

在相位不敏感模式下，該連續(xù)波泵浦的參量放大器實現(xiàn)了6.4dB的增益，其噪聲系數(shù)為3.3±0.4dB，這也是首次在集成的三階非線性平臺上實現(xiàn)連續(xù)光泵浦下的參量放大。

　　

對于相位敏感的參量放大，芯片上測量的放大系數(shù)在1556nm波長處為9.5dB，其噪聲系數(shù)僅為1.2±0.4dB，該噪聲系數(shù)顯著小于光學(xué)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(xué)再生和壓縮的重要因素，因此在量子光學(xué)中極具應(yīng)用前景。

　　

是芯片級非線性光信號處理和無額外噪聲放大的里程碑

　　

研究中所獲得的增益和噪聲系數(shù)，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里程碑。

　　

概括來說，在該研究中，葉志超和其團隊展示了單個芯片中基于三階非線性的光學(xué)放大。此外，在進行相位敏感操作時，放大器的噪聲系數(shù)顯著低于傳統(tǒng)量子極限。

　　

（來源：ScienceAdvances?）

　　

葉志超預(yù)計，通過進一步減少波導(dǎo)損耗、增加波導(dǎo)長度和減少模式串擾，可實現(xiàn)更高的光學(xué)參量放大器增益。

　　

需要注意的是，光學(xué)參數(shù)放大器還可擴展到其他波長，因為氮化硅從可見光到中紅外波長范圍內(nèi)是透明的。結(jié)合氮化硅的優(yōu)點，連續(xù)波泵浦氮化硅的光學(xué)參量放大器，或在光通信、超快光譜、未來在量子光學(xué)和計量方面可能大有成就。

　　

此前在超低損耗硅基光子學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有所建樹的劉駿秋博士，繼續(xù)評論該成果稱：“不同于傳統(tǒng)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于一切波段，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(xiàn)了芯片集成的連續(xù)波泵浦光參量放大器，并論證了各項指標的優(yōu)越性?！?/p> 　　

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，葉志超的導(dǎo)師彼得·A.安德烈森（PeterA.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后，很多技術(shù)是空白，氮化硅波導(dǎo)的損耗就高達150dB/m，遠落后于當時先進團隊所達到的5dB/m波導(dǎo)損耗。不過，我很高興能在博士期間，將氮化硅波導(dǎo)損耗成功降低100倍，撥開烏云看到了‘珠峰’的美景?！?/p> 　　

五年博士生期間，他逐步優(yōu)化氮化硅波導(dǎo)的工藝、降低波導(dǎo)的損耗，然后再優(yōu)化長波導(dǎo)的設(shè)計，接著提高工藝的良率，最終實現(xiàn)此結(jié)果。

　　

而這也離不開其導(dǎo)師們的支持。其本科畢業(yè)于浙江大學(xué)光電信息工程學(xué)，碩博期間都留學(xué)于瑞典。他先是在KTH瑞典皇家理工學(xué)院拿到碩士學(xué)位，幾個月前博士畢業(yè)于查爾姆斯理工大學(xué)。

　　

之所以選擇到KTH讀研，是因為該大學(xué)位于瑞典斯德哥爾摩市，這里也是諾貝爾獎頒獎的地方，同時其本科導(dǎo)師、浙江大學(xué)時堯成教授在讀博期間，也曾在KTH留學(xué)。

　　

讀博時來到查爾姆斯理工大學(xué)，則由于這里的集成光學(xué)的項目很吸引他。他個人覺得集成光學(xué)非常有前景，同時當自己做出小芯片時，內(nèi)心非常有自豪感。

　　

截至發(fā)稿，葉志超剛回國幾天有余，問及后續(xù)計劃他說：“希望能和志同道合的朋友將超低損氮化硅芯片在國內(nèi)實現(xiàn)，并應(yīng)用在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界?！?/p> 　　

-End-

　　

翻譯支持：周靜昕