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31岁海归博士“载”芯回国,实现200mm晶圆微腔光频梳大规模量产

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  这可能是常林最后一次以加州大学圣芭芭拉博后研究员身份发表的论文。不久之后,这位来自中国烟台的 31 岁科学家,即将成为国内 Top 高校的一名科研工作者。

  

  图 | 常林(来源:受访者)

  2013 年,他刚从山东大学电子科学与技术专业读完本科。毕业后申请留学时,尽管拿到了许多常青藤名校的 offer,但他不怎么看重学校名气,更在乎其半导体专业是否厉害。最终,加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)半导体专业吸引了他,该系曾诞生过多位 “芯片领域的‘诺奖’级” 人物。在那里他待了 8 年,在该校光子芯片实验室里,完成了博士和博后的全过程 。

  2021 年 5 月,其担任共同第一作者的论文《基于 CMOS 工艺的 超高 Q 微腔的赫兹线宽半导体激光器》“Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators” 发表在 Nature Photonics 上。

  

  图 | 相关论文(来源:受访者)

  光子芯片或迎来 “革命性突破” 时刻

  常林表示:“50 多年前,光纤的发明成功将当时广泛使用的玻璃纤维的损耗降低了一个数量级以上,从而让超远距离的光通信成为可能,并借此开启了互联网时代新纪元。而低损耗光学传输的赛道,也已延伸到芯片层面:光子芯片,这一被誉为‘超越摩尔定律’的下一代芯片的核心技术,借助本次成果的宣布,也迎来了革命性的突破时刻。”

  研究中,他和合作者们实现了目前全球损耗最低的光子芯片波导,成功将此前记录降低一个量级以上。并基于该平台的超高品质因子微腔(Q 值),研发出全球首个完全基于 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,一种制备大规模集成电路芯片的技术)产线的大规模生产的光频梳。

  

  图 | 200 mm 晶圆量产的光频梳芯片

  光子芯片技术是通过在微纳尺度对光进行操控,进而施行信息处理的新一代芯片技术。其中,光的引入可极大提升信息传输的带宽、速度和抗干扰能力。然而多年来,波导传输损耗 —— 一直是光子芯片技术未攻克的难题。

  常林告诉 DeepTech,相比半导体电子芯片,对光子芯片来说损耗是最重要的指标。故此,本次成果具体能带来两个优势:

  其一,在线性层面上,可让一个光子芯片系统上容纳更多器件。有别于传统的电子芯片,光子芯片系统中限制其器件数量的并不是制程而是损耗,因为光子芯片的尺度更大,但它的损耗补偿机制存在很大的困难。

  此前,单一芯片上承载的器件数目,完全被芯片的损耗所制约。而现在,硅光常用的波导是基于硅的波导,损耗一般在 dB/cm 的量级,因此在一个系统里可支撑最多几百个器件。如果添加更多器件,光子芯片的信号就会非常微弱从而不可探测。

  而本次实验的成果,成功将波导损耗降低到了 0.1 dB/m 以下,从而可以使同一个系统可容纳成千上万的器件。对此,常林表示:“打个比方,就像 CPU 的制程从晶体管到 5nm 工艺的集成芯片所经历的发展一样,光子芯片集成度的提升将带来性能上的飞跃。”

  

  图 | CMOS 准备的超高 Q 氮化硅微谐振器(来源:受访者)

  其二,在非线性层面上,光子芯片中有一个重要的结构叫微腔,它通常呈现出闭环结构,因此能让光子在芯片中震荡。说到这里,常林打比方说,假如敲打一面锣,一般锣会震荡很长时间,如果在震荡期间把手放在锣上,它很快就会停止震荡。

  对光子芯片来说,损耗决定着它的震荡时长,若能在微腔中把损耗做得极低,就能延长光子的寿命,从而提高非线性效率。

  研究中,常林和合作者们把之前波导最低损耗的前世界纪录降低了一个量级以下,这远低于其他光子芯片平台。而基于这种低损耗波导形成的微腔,其 Q 值可达两亿七千万。

  无缝转移到大规模产线,成本低于正常硅光芯片 100 倍左右

  自光子芯片诞生以来,降低损耗便贯穿于它的整个发展史。而传统光学中的最大突破便是光纤的诞生,光纤也是目前地球上损耗最低的光传输介质。由于其使用的介质是二氧化硅(石英),因此科学家们自然会联想到,如果把石英放到光子芯片上,或许也能带来极低的损耗。

  但是该设想的问题在于,石英的折射率非常低。而对于光子芯片来说,它比光纤的尺度要小很多,因此光要被牢固限制在较小的区域内。这时,单纯依靠石英来进行波导的设计,就会难以完成目标。

  为此,常林与合作者们设计出一种方案:尽量让光分布在二氧化硅中,但同时又能有较高折射率的材料来作为光子芯片的核心。最终,他们采用超薄的氮化硅核心与二氧化硅包层的结合的方式来形成波导结构。

  

  图 | 光频梳的形成(来源:受访者)

  在该结构中,光的模式的在 90% 的以上可分布在二氧化硅中,如此可极大降低光子芯片的损耗,同时超薄氮化硅可给波导提供一定的限制,从而实现较小的波导结构。

  此前,很难使用光子芯片来做超窄线宽的激光器,因为光子芯片无法像光纤那样提供较低的损耗反馈,所以它的激光器噪声比较大。

  利用本次平台,常林与其团队做了一款超窄线宽的激光器。对于冷原子钟等高精尖应用来说,之前的光子芯片激光器很难达到所需求的精度,而在本次超窄线宽激光器中,他们把低损耗的谐振腔和商用芯片激光器进行集成,然后利用自注入锁定的形式,以此实现线宽为一赫兹的激光器。常林表示,这也是目前噪声最低的集成激光器,可用于成冷原子钟,以及精密测量等。

  说到这里,就不得不提光频梳(光学频率梳,OFC,Fiber-optic cable),虽然它已 “走红” 十年有余。但受制于成本,光频梳的产业化仍存在较大问题。最本质原因在于,此前光频梳的制备要将 CMOS 工艺添加不少特殊步骤,成本和产率自然会受影响。

  而该团队的方案简单又便宜,他们做出了全球首个可在 CMOS 产线中大规模流片的光频梳,首次实现了 200 mm 晶圆上的微腔光频梳的大规模量产,成本低于正常硅光芯片 100 倍左右。

  

  图 | 超高 Q 谐振器平台实现的超窄线宽激光器和光频梳示意图

  可用于激光雷达和量子计算等,2-3 年即可落地到终端用户

  谈及超薄氮化硅核心与二氧化硅包层的结合的方案,常林说这要从五六年前说起,当时他所在研究组通过在 UCSB 的超净间进行的工艺研发,发现使用该方案做出的器件性能优越,而两年前位于美国的一家知名光子芯片公司对该方案也很感兴趣。

  双方一拍即合,开始了其产业化的探索,把在学术实验室做的工作,转移到大规模芯片产线上。他表示,一般发表在 Nature、Science 上的论文,往往需要十年以上才能在工业产线落地。而本次学术成果的转化之快,让其感到颇为自豪。

  在把成果转移到产业流程后,光子芯片的性能、产率和成本也得到了提高。他说,2-3 年内消费者就能买到相关产品和服务。

  

  (来源:受访者)

  事实上,一旦损耗降低,几乎所有光子芯片的系统性能都可得到提升。以激光雷达为例,光子芯片可实现电子芯片不具备的能力。通常来讲,激光雷达需要大规模的相控阵列,而光子芯片的损耗越低,相控阵列就越大,那么激光雷达芯片的精度就越高。

  常林告诉 DeepTech,该平台还能结合量子发挥其巨大的优势,以最近激动人心的我国中科大研究人员引领的光量子计算为例,对于量子计算机来说,损耗是一个更重要的参数。因为放大器无法放大光量子信号,但放大却是唯一的可弥补损耗的方式。因此,对于量子芯片来说,无法实现放大就必须降低损耗,而借助本次成果,光量子的芯片方案可在片上实现更大规模的量子计算机。

  此外,由于光子芯片的成本比较低,因此所依赖的设备要简化很多,落地也更简单。所以常林非常希望促成该平台在国内的应用。

  而本次选择回国,原因之一也是看到中国光子芯片产业化的优势务。他说,2013 年自己刚开始读 PhD,那时中国只有零星的光子芯片产业。如今八年过去,中国很多城市的光子芯片产业已经形成完整的产业链条。同时,让他非常感到自豪的是,新一代的中国青年学者们在顶尖光子芯片的研究中越来越承担起来支柱的力量。

  常林表示,“这个工作中得益于我们和加州理工的许多中国青年科学家们的合作,特别是现任职于北京大学的杨起帆研究员,我们之间的紧密合作让我对未来中国研究者们在这个领域的贡献充满了信心。”

  他说,国内光子芯片正以跨越之姿飞速发展,而他在留学期间做的成果,亦是为了走出实验室、结果于产业界。

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