光聲之間

劉婉茹

德國一位物理學(xué)家曾說，在追求真理、揭示自然奧秘的探索中，“量子向我們展示了另一種世界觀。去了解它，確實不那么容易，而一旦我們?nèi)L試了，將會觸摸到一個更為豐富的世界”?，F(xiàn)今，量子科學(xué)已發(fā)展到了可以對單個量子態(tài)操控的驚人水平。為了對光子、電子、聲子等粒子或準(zhǔn)粒子進行精準(zhǔn)操控，科學(xué)家們在探索各種新型光電材料的同時，通過將傳統(tǒng)材料微納化形成人工微納結(jié)構(gòu)。

微納結(jié)構(gòu)具有新奇的光電效應(yīng)，利用它有可能制作出新型的光電器件。在如今飛速發(fā)展的信息社會，有可能會帶來信息技術(shù)的革命。光子晶體和光聲晶體就是通過微納尺度下的人工周期結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對光子、聲子及其相互作用的操控，是一個有著巨大創(chuàng)新空間和廣闊應(yīng)用前景的研究方向。

什么是光子晶體、光聲晶體？它們具體有什么應(yīng)用前景？對此，記者采訪了清華大學(xué)電子工程系副教授崔開宇。

崔開宇一直致力于光子晶體無源、有源器件及其在集成芯片上的應(yīng)用研究，實現(xiàn)了尺寸最小的寬帶光開關(guān)，同時是InP基有源光子晶體刻蝕深寬比紀(jì)錄保持者。在清華大學(xué)留校工作后，崔開宇又在國內(nèi)率先開展光聲晶體前沿研究，在國內(nèi)首次研制出大于5GHz聲子頻率的納米臂微腔。作為項目負(fù)責(zé)人和項目骨干，崔開宇還承擔(dān)了多項國家和國際合作項目。

針對光子晶體，取得關(guān)鍵性突破

“蝴蝶的翅膀為什么有很多種顏色？蝴蝶的翅膀本是無色的，只是因為具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，才會在光線的照射下呈現(xiàn)出繽紛的色彩。”崔開宇舉例說明，蝴蝶的翅膀就是一種光子晶體，只是自然界中的光子晶體很難為我們所用。作為一個80后，崔開宇一直很喜歡物理學(xué)，尤其喜歡與物理相關(guān)的交叉科學(xué)。因此，本科之后直博的她選擇了光電子方向，開始研究光子晶體。

“人們希望對光子也有一種非常有效的調(diào)控，于是在硅材料等半導(dǎo)體材料上做一個光學(xué)尺度的人工晶體，就叫做光子晶體。跟自然界中調(diào)控電子的晶體相類比，光子晶體其實就是用來調(diào)控光的?！贝揲_宇解釋，光子晶體是近年來迅速發(fā)展的新一代微納結(jié)構(gòu)材料，基于其光子能帶所特有的帶隙限制特征，不僅可實現(xiàn)傳統(tǒng)光電子器件難以實現(xiàn)的許多功能，還使微納尺度超小型化光子集成回路的實現(xiàn)成為可能。

“眾所周知，光的速度很快，它跑進去一趟還沒來得及跟里面物質(zhì)相互作用，就跑得很遠了，所以光器件要比電子器件大幾個數(shù)量級?！贝揲_宇說，“如果能把光速降低，那我們就能把器件尺寸縮小?！被诎雽?dǎo)體平面工藝的二維光子晶體波導(dǎo)，可利用人工設(shè)計的周期性結(jié)構(gòu)來調(diào)控光的群速度，來突破傳統(tǒng)材料的折射率限制，在光群速度調(diào)控方面具有不可替代的優(yōu)勢。因此，光子晶體慢光波導(dǎo)已成為近年來國際上的研究熱點。

“利用慢光增強效應(yīng)可以從空間上壓縮光信號，可以增強相移、非線性、光增益等，實現(xiàn)微納尺度的超低功耗的有源器件、可控型光放大器件以及光延時功能器件。因此，作為重要的光子集成途徑之一，光子晶體慢光波導(dǎo)具有重要的學(xué)術(shù)研究意義和實用價值?！贝揲_宇高興地告訴記者，他們實驗室是國內(nèi)第一個把光子晶體里的慢光測出來的，其光速可以達到真空中光速的八十分之一。

近幾年，崔開宇以光子晶體慢光波導(dǎo)作為切入點，利用熱光效應(yīng)改變周期結(jié)構(gòu)折射率的機制研究光子晶體慢光波導(dǎo)的調(diào)控性能，在理論設(shè)計、工藝實現(xiàn)到測試技術(shù)方面取得關(guān)鍵性突破，通過實驗獲得了小尺寸、低功耗的光子晶體慢光調(diào)控的新型功能器件。2011年以來，相關(guān)工作連續(xù)發(fā)表在Applied Physics Letters、Applied Optics、IEEE Photonics Journal等國際期刊上，得到了國際同行的肯定。

通信波段的III-V族有源半導(dǎo)體材料，是崔開宇的另一個關(guān)注點。她發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用通信波段的III-V族有源半導(dǎo)體材料制作微納光源時，水平方向只有百納米的小孔，需要在垂直方向上刻蝕穿透幾微米厚的PN結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)?？涛g結(jié)構(gòu)需要像針孔一樣又細(xì)又深，因此高深寬比刻蝕技術(shù)是實現(xiàn)有源半導(dǎo)體微納光源的關(guān)鍵。此前，英國研究組曾在J.Vac.Sci.Technol.B雜志上發(fā)表他們的工作，制備出了超高深寬比為38的InP/InGaAsP有源光子晶體，這個紀(jì)錄保持了近10年，直到崔開宇取得了新突破。2013年，美國物理聯(lián)合會旗下的AIP Advances刊登了這一突破性進展，這一次，崔開宇的挑戰(zhàn)將InP/InGaAsP有源光子晶體的刻蝕深寬比提升到了45，一時間國際學(xué)術(shù)界紛紛矚目。美國專業(yè)媒體VerticalNews以“Recent Findings from Tsinghua University Provides New Insights into Nanotechnology”為題進行了報道?！跋嚓P(guān)的測試結(jié)果都表明，我們的工作實現(xiàn)了高質(zhì)量、大深寬比InP基有源光子晶體的干法刻蝕工藝，突破了InP基有源光子晶體制備的關(guān)鍵工藝瓶頸。”崔開宇說。

能夠取得這些成果，崔開宇認(rèn)為離不開多年來導(dǎo)師的言傳身教。她從吉林大學(xué)來到清華大學(xué)直讀博士的時候，導(dǎo)師就是現(xiàn)任電子工程系系主任黃翊東教授?！八且粋€有理想和追求的人，對學(xué)生的學(xué)業(yè)、生活都很關(guān)心?！贝揲_宇表示，她會秉承導(dǎo)師的這種作風(fēng)，將其傳遞給自己的學(xué)生。

圍繞光聲晶體，抓住重要機遇

在微納結(jié)構(gòu)中光子與電子相互作用的基礎(chǔ)上，通過微納結(jié)構(gòu)形成光學(xué)微腔來增強光子與聲子的相互作用是近幾年迅速引起關(guān)注的一個嶄新的研究方向——腔光力學(xué)。崔開宇介紹說，腔光力系統(tǒng)為光子與電子、聲子的量子操控引入了豐富的物理內(nèi)涵，產(chǎn)生了一系列新的物理機制。其中，利用微納結(jié)構(gòu)形成的腔光力系統(tǒng)有可能提供光子與電子、聲子操控的新機制和新手段，是未來新型光子器件的物理基礎(chǔ)。

目前，腔光力系統(tǒng)的相關(guān)研究尚處于萌芽狀態(tài)，仍然有很多關(guān)鍵問題有待解決。正因此，這一領(lǐng)域成為崔開宇的興趣所在，是她未來的工作方向?！翱蒲械拿恳惶於际窃谧鰟?chuàng)新工作，有很多的問題需要去攻克和解決?！贝揲_宇告訴記者，“最關(guān)鍵的是，當(dāng)你進入到一個方向時，知道這個方向的發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)這里面影響事物發(fā)展的核心問題，只有知道了問題，才能夠想出辦法來解決，實現(xiàn)創(chuàng)新?！?

崔開宇所說的“新的物理現(xiàn)象和機制”，需要在腔光力系統(tǒng)中實現(xiàn)強的光子與聲子的相互作用。而要增強光子與聲子的相互作用，其核心問題就是如何利用微腔實現(xiàn)光子、聲子的空間局域和頻率選擇，從而操控兩者之間的能量耦合過程。

為了進行有效的研究和應(yīng)用，這一問題必須要得到良好的解答。一直以來，科學(xué)家們嘗試提出了多種微納結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)光子與電子、聲子的操控，但直到光聲晶體概念提出后，才為同時操控光子和聲子提供了新的機理和有效的途徑，為片上“超冷 ”量子基態(tài)的實現(xiàn)提供了可能。

什么是光聲晶體？

“通過某種周期結(jié)構(gòu)不僅調(diào)控光子，還調(diào)控聲子，就是光聲晶體了?！贝揲_宇解釋說。現(xiàn)在，崔開宇在研究光子晶體的基礎(chǔ)上進一步拓展，開始探索光聲晶體了。

光聲晶體是怎么產(chǎn)生的？崔開宇進行了詳細(xì)的闡述：在半導(dǎo)體材料上制作微納周期小孔，當(dāng)光波通過光波長尺度重復(fù)的周期結(jié)構(gòu)時，經(jīng)過多次的反射和疊加，有些頻率的光波可以通過，有些頻率的光波不能通過，不能通過的頻段就是光子帶隙。由于帶隙的存在，頻率落在帶隙內(nèi)的光不能在周期結(jié)構(gòu)中傳播，那么當(dāng)拿掉一行小孔后，光不能進入兩側(cè)的周期結(jié)構(gòu)，只能沿著這個路徑傳播，就形成了光波導(dǎo)。如果在周期結(jié)構(gòu)中去掉一個小孔，光同樣不能向周圍傳播，被束縛和局域在這里，就形成了光的微腔。這樣就有可能通過設(shè)計周期結(jié)構(gòu)，進行能帶調(diào)控，來實現(xiàn)光的傳輸、局域等操作，把光器件的尺寸縮減到微納尺度。通過形成光子能帶，有效地調(diào)控光子，就是光子晶體。在光子晶體的基礎(chǔ)上，不僅調(diào)控光子而且同時調(diào)控聲子，以及光子和聲子相互作用，就可以形成光聲晶體。

“基于微納周期結(jié)構(gòu)形成的這種人造晶體實現(xiàn)能帶調(diào)控，可以超越天然材料的固有屬性，極大地提升器件性能，或者形成新一代的功能器件。”崔開宇說，利用光聲晶體微腔可以同時局域和調(diào)控光子、聲子并操控其相互作用的過程，從而可將介觀/宏觀尺度的片上系統(tǒng)致冷至量子基態(tài)，即不含聲子的“超冷”真空態(tài)。不同于傳統(tǒng)的Doppler激光冷卻方案僅能實現(xiàn)單個原子的量子基態(tài)，光聲晶體微腔為實現(xiàn)片上系統(tǒng)的量子基態(tài)提供了可能，是迄今為止唯一的片上量子基態(tài)實現(xiàn)方案，必將引發(fā)量子控制、精密測量、量子信息領(lǐng)域的革命性飛躍。

目前，崔開宇及其研究團隊直接瞄準(zhǔn)光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機理及片上實現(xiàn)展開研究，在該領(lǐng)域研究的初始階段高起點切入，力求從理論研究、設(shè)計實現(xiàn)到測試技術(shù)上取得關(guān)鍵性突破，在光聲晶體引發(fā)的新一輪腔光力學(xué)的研究和應(yīng)用中取得引領(lǐng)性的科研成果。

針對同一周期結(jié)構(gòu)無法同時優(yōu)化對光子和聲子操控這一瓶頸問題，崔開宇提出異質(zhì)結(jié)構(gòu)光聲晶體的概念，即在同一個納米懸臂上套刻兩種周期結(jié)構(gòu)，分別調(diào)控光子和聲子能帶，大大提升了聲子模式帶隙限制的頻率范圍。同時成功制備出這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，實驗測試結(jié)果證實了異質(zhì)光聲晶體的有效性，聲子模式頻率提高至5.66GHz。相關(guān)工作發(fā)表于Nature Publishing Group旗下的學(xué)術(shù)期刊Scientific Reports，以及西部光子學(xué)（Photonic West）國際會議?！斑@是已報道一維光聲晶體微腔的最高聲子頻率?！贝揲_宇說。

為解決納米懸臂光聲晶體微腔輸入光耦合系統(tǒng)集成化這一關(guān)鍵問題，崔開宇提出了集成納米臂波導(dǎo)耦合的漸變孔光聲晶體微腔。不同于消逝場光纖垂直耦合的方法，這種集成端面耦合波導(dǎo)的光聲晶體微腔可以有效避免非集成、動態(tài)耦合給微腔帶來的擾動和無法實際應(yīng)用的問題，在實現(xiàn)高效光聲耦合（1.16MHz）的同時，使光聲晶體微腔的集成芯片化成為可能。2015年，相關(guān)理論工作發(fā)表在Journal of Optics上，并入選了其網(wǎng)站主頁的研究亮點工作；第二年，實驗工作也發(fā)表于Scientific Reports?；诔錾目蒲泄ぷ?，2017年崔開宇成為Scientific Reports的期刊編委（Editorial Board Member）。

“盡管基于光聲晶體的腔光力學(xué)研究展示出了極其美好的研究前景，但是其中的光子與電子、聲子的相互作用機制還處在基礎(chǔ)研究階段，將這些新機制最終應(yīng)用并實現(xiàn)新的片上功能器件，尚有諸多的物理問題和技術(shù)難點有待探究?！贝揲_宇告訴記者，同時一口氣舉了好幾個例子，“比如，光聲晶體需要對光子和聲子同時進行帶隙調(diào)控和帶隙限制，此時什么是聲子空間局域和頻率選擇的理論極限和物理限制機理；針對不同的物理現(xiàn)象和機理，如何設(shè)計光聲晶體微腔進行相關(guān)的理論研究和實驗測試；實驗上如何制備出高品質(zhì)的光聲晶體片上微腔系統(tǒng)；測試上如何降低環(huán)境擾動，測試出光聲晶體微腔中光波模式與機械振動/聲子模式耦合的多種物理現(xiàn)象；應(yīng)用上如何利用新的物理機制實現(xiàn)片上功能器件等。”

目前，國際上僅有少數(shù)幾個研究組具備同時開展光聲晶體微腔的相關(guān)理論和實驗研究的能力。清華大學(xué)是國內(nèi)較早開展光子晶體和量子信息基礎(chǔ)性研究的單位，目前已建立起了光聲晶體的設(shè)計、制作和測試平臺，為進一步深入開展光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機理及片上實現(xiàn)研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。崔開宇于2010年從清華大學(xué)博士畢業(yè)后就一直在清華大學(xué)電子工程系任教。她認(rèn)為，清華大學(xué)為她的工作提供了良好的環(huán)境，現(xiàn)階段開始啟動光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機理及片上實現(xiàn)研究的時機已經(jīng)成熟。

“由于光聲晶體這一研究方向在國際上也處在剛剛起步階段，我們應(yīng)該抓住這一難得的機遇，在該領(lǐng)域研究的初始階段切入相關(guān)基礎(chǔ)研究，有可能實現(xiàn)創(chuàng)新和跨越?！睆墓庾泳w轉(zhuǎn)向光聲晶體，崔開宇清楚地知道自己即將面臨的門檻和挑戰(zhàn)，但她依然堅持。

崔開宇說，目前是互聯(lián)網(wǎng)時代，接下來將會是智能時代。在智能時代，許多器件要做到微納尺度。比如，機器人就需要很多輕巧的傳感器。而整個光聲晶體領(lǐng)域很大的一個潛力方向就在高精度智能傳感上。

“希望在理論研究、設(shè)計實現(xiàn)到測試技術(shù)方面取得關(guān)鍵性突破，在光聲晶體引發(fā)的新一輪研究中獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果?！贝揲_宇坦言，她未來的工作計劃都將圍繞著光聲晶體。

現(xiàn)在，崔開宇已經(jīng)是一個孩子的母親?！爱?dāng)了媽媽的人，工作和生活都要做好，很不容易?！贝揲_宇告訴記者，工作和生活，無論怎么平衡，都是要花時間的，她要盡量做到高效。