31歲海歸博士“載”芯回國，曾首次實現(xiàn)200mm晶圓微腔光頻梳大規(guī)模量產，成本比正常硅芯片低100倍 | 專訪

這可能是常林最后一次以加州大學圣芭芭拉博后研究員身份發(fā)表的論文。不久之后，這位來自中國煙臺的 31 歲科學家，即將成為國內 Top 高校的一名科研工作者。

2013 年，他剛從山東大學電子科學與技術專業(yè)讀完本科。畢業(yè)后申請留學時，盡管拿到了許多常青藤名校的 offer，但他不怎么看重學校名氣，更在乎其半導體專業(yè)是否厲害。最終，加州大學圣芭芭拉分校（UCSB）半導體專業(yè)吸引了他，該系曾誕生過多位 “芯片領域‘諾獎’級” 人物。在那里他待了 8 年，并在該校光子芯片實驗室里，完成了博士和博后的全過程 。

2021 年 5 月，其擔任共同第一作者的論文《基于 CMOS 工藝的 超高 Q 微腔的赫茲線寬半導體激光器》“Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators” 發(fā)表在 Nature Photonics 上。

光子芯片或迎來 “革命性突破” 時刻

常林表示：“50 多年前，光纖的發(fā)明成功將當時廣泛使用的玻璃纖維的損耗降低了一個數(shù)量級以上，從而讓超遠距離的光通信成為可能，并借此開啟了互聯(lián)網時代新紀元。而低損耗光學傳輸?shù)馁惖?，也已延伸到芯片層面：光子芯片，這一被譽為‘超越摩爾定律’的下一代芯片的核心技術，借助本次成果的宣布，也迎來了革命性的突破時刻?！?/span>
研究中，他和合作者們實現(xiàn)了目前全球損耗最低的光子芯片波導，成功將此前記錄降低一個量級以上。并基于該平臺的超高品質因子微腔（Q 值），研發(fā)出全球首個完全基于 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，一種制備大規(guī)模集成電路芯片的技術）產線的大規(guī)模生產的光頻梳。

光子芯片技術是通過在微納尺度對光進行操控，進而施行信息處理的新一代芯片技術。其中，光的引入可極大提升信息傳輸?shù)膸?、速度和抗干擾能力。然而多年來，波導傳輸損耗 —— 一直是光子芯片技術未攻克的難題。
常林告訴 DeepTech，相比半導體電子芯片，對光子芯片來說損耗是最重要的指標。故此，本次成果具體能帶來兩個優(yōu)勢：
其一，在線性層面上，可讓一個光子芯片系統(tǒng)上容納更多器件。有別于傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片系統(tǒng)中限制其器件數(shù)量的并不是制程而是損耗，因為光子芯片的尺度更大，但它的損耗補償機制存在很大的困難。
此前，單一芯片上承載的器件數(shù)目，完全被芯片的損耗所制約。而現(xiàn)在，硅光常用的波導是基于硅的波導，損耗一般在 dB/cm 的量級，因此在一個系統(tǒng)里可支撐最多幾百個器件。如果添加更多器件，光子芯片的信號就會非常微弱從而不可探測。
而本次實驗的成果，成功將波導損耗降低到了 0.1 dB/m 以下，從而可以使同一個系統(tǒng)可容納成千上萬的器件。對此，常林表示：“打個比方，就像 CPU 的制程從晶體管到 5nm 工藝的集成芯片所經歷的發(fā)展一樣，光子芯片集成度的提升將帶來性能上的飛躍。”
其二，在非線性層面上，光子芯片中有一個重要的結構叫微腔，它通常呈現(xiàn)出閉環(huán)結構，因此能讓光子在芯片中震蕩。說到這里，常林打比方說，假如敲打一面鑼，一般鑼會震蕩很長時間，如果在震蕩期間把手放在鑼上，它很快就會停止震蕩。
對光子芯片來說，損耗決定著它的震蕩時長，若能在微腔中把損耗做得極低，就能延長光子的壽命，從而提高非線性效率。
研究中，常林和合作者們把之前波導最低損耗的前世界紀錄降低了一個量級以下，這遠低于其他光子芯片平臺。而基于這種低損耗波導形成的微腔，其 Q 值可達兩億七千萬。
無縫轉移到大規(guī)模產線，成本低于正常硅光芯片 100 倍左右
自光子芯片誕生以來，降低損耗便貫穿于它的整個發(fā)展史。而傳統(tǒng)光學中的最大突破便是光纖的誕生，光纖也是目前地球上損耗最低的光傳輸介質。由于其使用的介質是二氧化硅（石英），因此科學家們自然會聯(lián)想到，如果把石英放到光子芯片上，或許也能帶來極低的損耗。
但是該設想的問題在于，石英的折射率非常低。而對于光子芯片來說，它比光纖的尺度要小很多，因此光要被牢固限制在較小的區(qū)域內。這時，單純依靠石英來進行波導的設計，就會難以完成目標。
為此，常林與合作者們設計出一種方案：盡量讓光分布在二氧化硅中，但同時又能有較高折射率的材料來作為光子芯片的核心。最終，他們采用超薄的氮化硅核心與二氧化硅包層的結合的方式來形成波導結構。

在該結構中，光的模式的在 90% 的以上可分布在二氧化硅中，如此可極大降低光子芯片的損耗，同時超薄氮化硅可給波導提供一定的限制，從而實現(xiàn)較小的波導結構。
此前，很難使用光子芯片來做超窄線寬的激光器，因為光子芯片無法像光纖那樣提供較低的損耗反饋，所以它的激光器噪聲比較大。
利用本次平臺，常林與其團隊做了一款超窄線寬的激光器。對于冷原子鐘等高精尖應用來說，之前的光子芯片激光器很難達到所需求的精度，而在本次超窄線寬激光器中，他們把低損耗的諧振腔和商用芯片激光器進行集成，然后利用自注入鎖定的形式，以此實現(xiàn)線寬為一赫茲的激光器。常林表示，這也是目前噪聲最低的集成激光器，可用于成冷原子鐘，以及精密測量等。
說到這里，就不得不提光頻梳（光學頻率梳，OFC），雖然它已 “走紅” 十年有余。但受制于成本，光頻梳的產業(yè)化仍存在較大問題。最本質原因在于，此前光頻梳的制備要將 CMOS 工藝添加不少特殊步驟，成本和產率自然會受影響。
而該團隊的方案簡單又便宜，他們做出了全球首個可在 CMOS 產線中大規(guī)模流片的光頻梳，首次實現(xiàn)了 200 mm 晶圓上的微腔光頻梳的大規(guī)模量產，成本低于正常硅光芯片 100 倍左右。
可用于激光雷達和量子計算等，2-3 年即可落地到終端用戶
談及超薄氮化硅核心與二氧化硅包層的結合的方案，常林說這要從五六年前說起，當時他所在研究組通過在 UCSB 的超凈間進行的工藝研發(fā)，發(fā)現(xiàn)使用該方案做出的器件性能優(yōu)越，而兩年前位于美國的一家知名光子芯片公司對該方案也很感興趣。
雙方一拍即合，開始了其產業(yè)化的探索，把在學術實驗室做的工作，轉移到大規(guī)模芯片產線上。他表示，一般發(fā)表在 Nature、Science 上的論文，往往需要十年以上才能在工業(yè)產線落地。而本次學術成果的轉化之快，讓其感到頗為自豪。
在把成果轉移到產業(yè)流程后，光子芯片的性能、產率和成本也得到了提高。他說，2-3 年內消費者就能買到相關產品和服務。
事實上，一旦損耗降低，幾乎所有光子芯片的系統(tǒng)性能都可得到提升。以激光雷達為例，光子芯片可實現(xiàn)電子芯片不具備的能力。通常來講，激光雷達需要大規(guī)模的相控陣列，而光子芯片的損耗越低，相控陣列就越大，那么激光雷達芯片的精度就越高。
常林告訴 DeepTech，該平臺還能結合量子發(fā)揮其巨大的優(yōu)勢，以最近激動人心的我國中科大研究人員引領的光量子計算為例，對于量子計算機來說，損耗是一個更重要的參數(shù)。因為放大器無法放大光量子信號，但放大卻是唯一的可彌補損耗的方式。因此，對于量子芯片來說，無法實現(xiàn)放大就必須降低損耗，而借助本次成果，光量子的芯片方案可在片上實現(xiàn)更大規(guī)模的量子計算機。
此外，由于光子芯片的成本比較低，因此所依賴的設備要簡化很多，落地也更簡單。所以常林非常希望促成該平臺在國內的應用。
而本次選擇回國，原因之一也是看到中國光子芯片產業(yè)化的優(yōu)勢務。他說，2013 年自己剛開始讀 PhD，那時中國只有零星的光子芯片產業(yè)。如今八年過去，中國很多城市的光子芯片產業(yè)已經形成完整的產業(yè)鏈條。同時，讓他非常感到自豪的是，新一代的中國青年學者們在頂尖光子芯片的研究中越來越承擔起來支柱的力量。
常林表示，“這個工作中得益于我們和加州理工的許多中國青年科學家們的合作，特別是現(xiàn)任職于北京大學的楊起帆研究員，我們之間的緊密合作讓我對未來中國研究者們在這個領域的貢獻充滿了信心?！?/span>
他說，國內光子芯片正以跨越之姿飛速發(fā)展，而他在留學期間做的成果，亦是為了走出實驗室、結果于產業(yè)界。
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