科学家构建基于薄膜铌酸锂的耦合微腔平台，实现对片上光子高速、高效的光电调控，助推未来光电融合芯片发展

近几十年来，光学领域的突破和创新，改变着人类的生活。

大约 20 年前，光学与微纳加工的结合，催生了微纳光子学这一全新的领域，并为人们带来了新型片上光学器件。

历经 20 年的发展，大量芯片级别的光学器件应用，让光学频梳、雷达等不同领域实现重大突破。

目前，微纳光子器件主要基于简单的片上结构，譬如单个波导和单个谐振微腔等。

与这些片上结构相比，耦合微腔能够提供多个可重构的光子能级，产生高效的光子-电子相互作用。

而从单波导和单微腔拓展到耦合微腔的过程，也就像一个把物理系统从单原子拓展到多原子的过程，会有大量新的光学现象和功能器件随之涌现。

因此，耦合微腔被认为是下一代颇具前景的光子学器件之一。

然而，耦合微腔的复杂度明显高于目前常规的片上光学器件，这使得相关领域的研究者很难对它进行控制和探索。

北京大学物理学院胡耀文助理教授、研究员的研究致力于发展基于薄膜铌酸锂的电光耦合微腔平台，聚焦光电融合芯片应用。他通过该平台实现了包括电光频移器、光学频梳等在内的一系列基于耦合微腔的光电调控器件。这些器件或在性能上超越了世界最高水平，或展现出前所未有的功能。

凭借引领基于薄膜铌酸锂光子平台的光电融合芯片研究，实现对片上光子高速、高效的光电调控，为实现未来全光电融合芯片提供全新发展路线，胡耀文成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

发展基于薄膜铌酸锂的耦合微腔平台，实现全球性能最高的电光频移器和光学频梳

理想中的耦合微腔需要满足许多苛刻条件，包括能够提供极低光学损耗的材料、高效率的耦合强度、极高的带宽用于光学/电学控制，以及良好的可扩展性等。

但此前的片上耦合微腔系统无法达成这些条件。

在胡耀文看来，薄膜铌酸锂具备的光-电相互作用强、损耗低、可以大规模拓展等优势，恰恰是耦合微腔所需要的。

因此，他在过去几年中，成功地构建了一个基于薄膜铌酸锂的电光耦合微腔平台。该平台能够提供光子多能级系统，并可以在强耦合尺度下通过电光效应施加跃迁。

与此同时，他也首次提出了控制光场能量流动的广义临界耦合理论。

基于上述平台，2021 年，他把广义临界耦合理论应用到多能级系统与连续谱耦合的系统中，实现了超越世界最高水平的电光频移器[1]。

“简单来说就是，该器件能够通过频率调控，高效且高速地改变光的颜色。”胡耀文表示。

从性能上看，这款电光频移器不仅能将光频率改变 10 至 30 吉赫兹，还拥有大于 99% 的平移效率和仅仅 0.45 分贝的片上损耗。

此外，利用该平台，胡耀文还发现了级联频移这种之前光子器件中完全不存在的现象，即在只使用一个 30 吉赫兹的微波的情况下，将光的频率改变了 120 吉赫兹。

而这一过程中，光单向的流动在频率空间的能级中没有任何反向转换。

“该成果的关键意义在于，只使用一个低频率的微波（几十个吉赫兹），就可以获取超高带宽的微波（>100 吉赫兹，毫米波），极大地降低了对超高带宽的毫米波尺度的相关研究与应用所需要的昂贵设备的依赖，为未来的器件开发提供更多可能。”胡耀文表示。

从应用上看，该电光频移器能够在吉赫兹频段提供世界上性能最好的频移，并且级联频移又可以用低频微波直接获取>100 吉赫兹的频移。

因此，该成果可以应用于所有需要光频率调控的应用中，这既包括原子的激光冷却等基础物理方面，又覆盖通讯、量子计算、雷达等领域。

据胡耀文介绍，该研究历时两年左右，总共经历理论构建、器件制备、性能测量和优化三个阶段。其中，为实现更好的器件性能，他们在优化工艺上大概花费了一年多时间。

“要想让一项技术产生较大的影响力，一方面取决于概念上的创新，另一方面则需要尽可能地将工艺做到极致。它虽然是一个很枯燥的过程，但却是必经之路。”胡耀文说。

而在这个过程中，他也不可避免地遇到许多难以克服的问题。但只要看到一点可能性，他都会毅然决然地进行尝试，并积极地求教于身边的人。

“有一次，基本上我们整个课题组三十多个人都知道我有这个问题，因为我把他们每个人都问了一遍。最后基于他们的经验和我的反复尝试，终于成功地解决了那个问题。”胡耀文说。

另外，借助基于薄膜铌酸锂的电光耦合微腔平台，2022 年，他将耦合微腔和广义临界耦合理论应用在电光频梳领域，研发出具有超高性能的光学频梳[2]。

“相较于此前世界上最好的电光频梳，该频梳的转换效率提高了 100 倍，并且带宽也提高了 2.2 倍。截至目前，该成果的性能在全球仍然首屈一指。”胡耀文表示。

那么，从应用上看，由于该频梳在性能上显著超越单个微腔的电光频梳，因此可以完全替代单微腔电光频梳，作为标准范式大规模生产。

此外，他还将上述平台应用于光学合成维度的领域，展示出四维的频率晶体[3]和频率空间的合成镜面（反射率>0.9999）[4]。

实际上，上述两项研究都属于基于薄膜铌酸锂光子平台的光电融合芯片研究。

谈及这些研究之间的关联与区别，胡耀文表示，它们都涉及到光子-电子相互作用，本质上相当于通过电子来调控光子，这也是该平台的最大优势所在。

“它们的不同之处在于，频移器是把光的颜色从一种变成另外一种；光频梳的生成是把一种光的颜色转换成很多种颜色，且这些颜色之间是等间隔的。”他说。

计划将研究从器件层面提升到系统层面，助力光电融合芯片领域实现更多突破

2013 年，胡耀文考入清华大学物理系。在校期间，他曾获得清华大学本科生特等奖学金、清华大学学生年度人物等多项荣誉。

2018 年本科毕业后，他前往美国哈佛大学攻读博士学位。上述成果都是他在这一时期实现的。

2023 年 4 月起，他在哈佛大学从事博士后研究，持续推进新型的片上光子器件发展。10 个月后，他加入北京大学物理学院，担任助理教授和研究员。

如果从上面的个人履历来看，胡耀文显然是一位非常优秀的学生和科研人才。但他本人却坦言，自己从小到大都不能算是他人口中“别人家的孩子”。

“不管是初中、高中，还是大学，每当进入一个新的环境，我都基本上处于‘倒数’的位置。但得益于一步步的努力和坚持，以及对待困难时的那种韧性，我总能在去到下一个环境之前，走到当前环境中最‘Top’的位置。”他说。

提到创新，他表示：“我一开始觉得，创新就是从无到有。但做了这么多年的科研以后发现，世界上绝大多数创新，其实都来源于迁移、模仿和结合。比如，将 A 领域和 B 领域已有的东西进行结合，放到 C 领域中，就能给 C 领域带来非常大的意义。这就是我对创新的一种理解。”

顺着这个维度思考，胡耀文一般不会把创新归结为灵光一闪，而是更倾向于在某一个领域持之以恒地进行量的积累。

“当积累达到一定程度后，自然而然就能做出一些很重要的创新。”他说。

如上所说，在入职北京大学之前，胡耀文主要完成了耦合微腔平台的发展，并通过许多器件展示了该平台所具备的潜力。

在下个阶段，他计划将研究从器件层面提升到系统层面。

例如，把耦合微腔频移器拓展到系统层面，与基于周期性极化铌酸锂的单光子源相结合，制备频率复用的确定性单光子源，或者用大量光电融合器件组成的光子电路来进行通用计算、光量子计算等。

“耦合微腔平台只是光电融合芯片的一个子集。未来我希望在该领域做出更多突破，将光电融合芯片的发展推至更远。”胡耀文说。

参考资料：

1.Hu, Y., Yu, M., Zhu, D. et al. On-chip electro-optic frequency shifters and beam splitters. Nature 599, 587–593 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03999-x

2.Hu, Y., Yu, M., Buscaino, B. et al. High-efficiency and broadband on-chip electro-optic frequency comb generators. Nature Photonics 16, 679–685 (2022). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01059-y

3. Hu, Y.,Reimer C.,Shams-Ansari.et al. Realization of high-dimensional frequency crystals in electro-optic microcombs. Optica 7, 1189 (2020). https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-7-9-1189&id=437915

4. Hu, Y., Yu, M., Sinclair, N. et al. Mirror-induced reflection in the frequency domain. Nature Communications 13, 6293 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33529-w

运营/排版：何晨龙

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