近日，生于 1991 年的归国博士叶志超，刚从瑞典查尔姆斯理工大学博士毕业，并将在杭州成立一家氮化硅光芯片公司。未来这家公司将使用的技术，也和他的最新论文成果息息相关。9 月 15 日，Science Advances 报道了《在单片波导中克服光放大的量子限制》（Overcoming the quantum limit of optical amplification in monolithic waveguides），叶志超担任第一作者。
图 | 相关论文（来源：受访者）
“用于微波信号的行波泵浦参量放大器，在超导电路量子计算技术上扮演着至关重要的功能，也是目前美国绝对领先、我们需要重点攻关的技术难题之一。而用于光波信号的参量放大器，是目前集成光学技术中，国际上少数几个仍然没有被完美实现、但是很多人非常期待的功能之一。叶志超博士是目前国际上氮化硅非线性集成光学领域成果最为出色、技术最为全面的青年科学家之一，他的此项工作无疑是近年来集成光学领域最重要的成果之一。” 谈及同行叶志超的最新成果，瑞士洛桑联邦理工学院的刘骏秋博士这样告诉 DeepTech。
图 | 叶志超（来源：受访者）
克服二十多年的难题
据悉，光学参量放大器依赖于非线性材料来放大光波，这种方法在相位敏感模式下工作时，可提供远低于传统放大器量子极限的噪声系数。
也正因此，光学参量放大器引起了光通信、超快信号处理和量子计量等领域科学家的广泛兴趣。
截止目前，连续波泵浦的参量放大器，只在体积庞大的系统中得到证明。例如，使用数百米基于三阶非线性的高非线性光纤，或使用多个基于二阶非线性的铌酸锂平面波导。
此前几十年间，科学家们探索了高非线性材料，比如硅、砷化铝镓、非线性玻璃、石墨烯和等离子体等。但是，基于这些高非线性材料的光波导都有较高的线性损耗，并且受限于非线性损耗，比如双光子吸收或自由载流子吸收。
因此，目前基于三阶非线性的集成参量放大器都采用脉冲光泵浦。这大大限制了它在实际中的应用，因为这种参量放大器无法放大实际应用中的随机信号。
一直以来，科学家们希望在芯片集成的三阶非线性平台上，实现连续光泵浦的参量放大，但做了二十多年始终未能取得满意表现。而在这项成果中，叶志超和其团队首次在集成三阶非线性平台上，实现了相关突破。
光学放大器是光科学、技术与应用中必不可少的元件。其中，在相位敏感模式下的参数放大器，它们在放大光信号的同时不会产生多余的噪声（不会降低信噪比），故此这一创新很有应用前景。
“杀手锏”：超低损耗的氮化硅
研究中，叶志超和其团队使用超低损耗的氮化硅来解决该难题，他们在 23mm² 面积的芯片上，制作了 1.4 米长的超低损氮化硅波导。
在该研究中，低损耗能提高波导的有效长度，从而实现较高的非线性相移，并产生放大器的增益。制作 1.4 米长的波导并不困难，但如果波导的损耗是 100 dB/m， 那么波导有效长度只有 0.04 米。而该团队将波导的损耗降低到 1.4dB/m，可实现大于 1 米的波导有效长度。
氮化硅的能带隙相对较大，因此它能极大减少光通信波段中的非线性损失。氮化硅和二氧化硅包层形成了适中的折射率对比度，使其同时允许高光学约束、低损耗、高功率处理。而在集成光子学中，集成氮化硅平台也是继硅和磷化铟之后最成熟的材料，目前在非线性光信号的产生和处理上也有着核心应用。
尽管已有团队在高 Q 氮化硅微谐振器上已取得成功，但低损耗氮化硅的米级别长波导，仅在低约束下可以实现。但由于此类波导的非线性较弱，因此并不适用于光学参数放大器。
因此，在实现基于四波混频的、连续波泵浦参数放大的氮化硅中，必须实现具有高非线性和低传播损耗的长波导。
叶志超介绍称，波导损耗是影响光学参量放大器性能的关键因素，因为它同时影响放大增益和噪声系数。
如下图所示，这是基于四波混频的波导光学参量放大器的示意图，输入信号波在传播过程中被泵浦光放大，并沿着传播产生一个闲频波，泵浦波因波导的损耗被衰减。
（来源：Science Advances ）
20 个波导几乎个个 “完美无缺”
此外，他还利用先进的减法工艺制备了具有高光学约束色散控制的氮化硅螺旋波导。下图展示了一个具有 9 个氮化硅波导的样式芯片的照片，它级联 23 个螺旋波导单元，可在 23mm² 的区域内构造一个 1.42 米长的波导。叶志超告诉 DeepTech：“近年来，美国哥伦比亚大学和瑞士洛桑联邦理工学院的团队，陆续展示了超低损耗（~1 dB/m）的氮化硅微环形谐振腔。但是，在米尺度的氮化硅波导中，实现超低损耗是对制作工艺的良率的巨大挑战。举例来说，如果 0.1 米长的波导的良率是 90%，那么 1.4 米长的波导的良率仅仅只有 20%。”他在论文中写道，波导基模的损耗为 1.4dB/m，这也是迄今为止在高光学约束、米尺度氮化硅波导中最低的损耗，这要求每个螺旋波导几乎都得是完美无缺的。他使用氮化硅波导，在相位不敏感和敏感模式下，分别进行了连续波泵浦参数放大实验。在相位不敏感模式下，该连续波泵浦的参量放大器实现了 6.4 dB 的增益，其噪声系数为 3.3±0.4 dB，这也是首次在集成的三阶非线性平台上实现连续光泵浦下的参量放大。对于相位敏感的参量放大，芯片上测量的放大系数在 1556nm 波长处为 9.5dB，其噪声系数仅为 1.2±0.4dB，该噪声系数显著小于光学放大器中的量子极限 3dB。通过改变泵浦光的相位，该放大器的增益能形成周期性变化，最大增益和最小增益的消光比达到 20dB，是光学再生和压缩的重要因素，因此在量子光学中极具应用前景。研究中所获得的增益和噪声系数，代表了芯片级非线性光信号处理和无额外噪声放大的一个里程碑。概括来说，在该研究中，叶志超和其团队展示了单个芯片中基于三阶非线性的光学放大。此外，在进行相位敏感操作时，放大器的噪声系数显著低于传统量子极限。叶志超预计，通过进一步减少波导损耗、增加波导长度和减少模式串扰，可实现更高的光学参量放大器增益。需要注意的是，光学参数放大器还可扩展到其他波长，因为氮化硅从可见光到中红外波长范围内是透明的。结合氮化硅的优点，连续波泵浦氮化硅的光学参量放大器，或在光通信、超快光谱、未来在量子光学和计量方面可能大有成就。此前在超低损耗硅基光子学领域已经有所建树的刘骏秋博士，继续评论该成果称：“不同于传统的、仅在通讯波段工作的掺铒放大器，光参量放大器几乎适用于一切波段，且不引入额外噪声。同时，参量放大器具备非互易性，即在放大有效光信号的同时，不会放大反射光或者噪声光信号，从而能有效的保护激光源。这项工作成功实现了芯片集成的连续波泵浦光参量放大器，并论证了各项指标的优越性。”
此前全球从未有高校课题组攻克该难题
事实上，从读博第一天开始，叶志超的导师彼得·A.安德烈森（Peter A.Andrekson）就明确给他定下目标，要攻克这项从未有人攻克的难题。他表示：“当时，这个目标对我来说就像珠穆拉玛峰一样遥不可及。我所在的团队在起步相对落后，很多技术是空白，氮化硅波导的损耗就高达 150dB/m，远落后于当时先进团队所达到的 5dB/m 波导损耗。不过，我很高兴能在博士期间，将氮化硅波导损耗成功降低 100 倍，拨开乌云看到了 '珠峰’ 的美景。”五年博士生期间，他逐步优化氮化硅波导的工艺、降低波导的损耗，然后再优化长波导的设计，接着提高工艺的良率，最终实现此结果。而这也离不开其导师们的支持。其本科毕业于浙江大学光电信息工程学，硕博期间都留学于瑞典。他先是在 KTH 瑞典皇家理工学院拿到硕士学位，几个月前博士毕业于查尔姆斯理工大学。之所以选择到 KTH 读研，是因为该大学位于瑞典斯德哥尔摩市，这里也是诺贝尔奖颁奖的地方，同时其本科导师、浙江大学时尧成教授在读博期间，也曾在 KTH 留学。读博时来到查尔姆斯理工大学，则由于这里的集成光学的项目很吸引他。他个人觉得集成光学非常有前景，同时当自己做出小芯片时，内心非常有自豪感。截至发稿，叶志超刚回国几天有余，问及后续计划他说：“希望能和志同道合的朋友将超低损氮化硅芯片在国内实现，并应用在学术界和工业界。”
