填補(bǔ)高性能硅基集成光源芯片技術(shù)空白：科學(xué)家實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)摻鉺光纖器件的集成化，助力激光通信和新型微波光子系統(tǒng)發(fā)展
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20 世紀(jì) 80 年代，科學(xué)家發(fā)明摻鉺光纖放大器（EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier），并逐漸發(fā)展成光纖通信技術(shù)中光信號放大的首選技術(shù)。
EDFA 是奠定現(xiàn)代高速光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其通過提供低噪聲、寬帶多波長的光信號放大能力，能夠每隔 80 至 100 公里將光信號放大，補(bǔ)償信號傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)信號再生。
該技術(shù)讓長距離光通信網(wǎng)絡(luò)成為可能，并支撐了全球互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等基礎(chǔ)設(shè)施。如今，也已成為光纖激光器、激光陀螺儀、激光加工、激光手術(shù)、激光雷達(dá)等系統(tǒng)種的最重要一環(huán)。
華中科技大學(xué)劉陽教授在海外工作期間，致力于研究基于稀土元素?fù)诫s的集成光子芯片的器件開發(fā)、基礎(chǔ)和應(yīng)用，特別是集成的高功率波導(dǎo)光放大器和低噪聲激光器。
近年來，他與合作者將傳統(tǒng)的臺式光纖光源集成到光芯片上，實(shí)現(xiàn)微型芯片化。同時，在應(yīng)用中探索了新型、高精度的微波光子信號處理、高速光通信和光子雷達(dá)探測系統(tǒng)。
分別實(shí)現(xiàn)了芯片級的高功率硅基集成摻鉺光纖放大器和低噪聲激光器，關(guān)鍵參數(shù)達(dá)到了商用光纖光源的性能，在尺寸、重量和工作波長范圍等方面實(shí)現(xiàn)了超越。
憑借研發(fā)世界首個百毫瓦級別高功率硅基集成摻鉺放大器，實(shí)現(xiàn)低噪聲摻鉺激光器芯片和基于聲光效應(yīng)的微波光子處理系統(tǒng)，劉陽成為 2023 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國入選者之一。
相關(guān)技術(shù)有望為一系列應(yīng)用提供關(guān)鍵基礎(chǔ)，例如小型化光子輔助雷達(dá)、下一代光通信收發(fā)機(jī)、星載激光通訊、超大規(guī)模片上光計算網(wǎng)絡(luò)、激光測距和量子光學(xué)等。
集成摻鉺放大器：關(guān)鍵參數(shù)同時達(dá)到商用光纖放大器水平EDFA 的市場需求和技術(shù)的現(xiàn)實(shí)發(fā)展之間，存在著顯著的鴻溝。
一方面，市場對高性能集成光芯片的需求日益增多。集成光芯片由于可降低光系統(tǒng)的體積、功耗和制造成本，有望實(shí)現(xiàn)高密度部署，進(jìn)而在未來光通信、海底光纜、大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、車載激光雷達(dá)等場景應(yīng)用。
另一方面，30 多年以來，EDFA 的生產(chǎn)仍然依賴于單個器件的手工盤纖、制造和組裝，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和器件的微型化。
有研究人員利用與摻鉺光纖制備相似的原理，在集成光子芯片中實(shí)現(xiàn)鉺離子摻雜，雖然可以提供光增益，但其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)用水平。低噪聲、高功率、大帶寬的硅基集成光放大器仍是一項(xiàng)技術(shù)的空白。
2022 年，劉陽在 Science 報道了摻鉺集成光器件的重要成果，實(shí)現(xiàn)了世界首個高功率光子集成電路鉺波導(dǎo)放大器（EDWA，Er-Doped Waveguide Amplifier）。
并且，創(chuàng)下輸出功率超過 145mW 的記錄，相較于之前報道的器件提升了 2 個數(shù)量級 [1]。
值得關(guān)注的是，新型的 EDWA 在輸出功率、增益、噪聲系數(shù)上，同時接近商用 EDFA 的性能。
具體表現(xiàn)為：
145mW 的輸出功率、30dB 光增益、片上泵功率轉(zhuǎn)換效率為 60%，并且同時顯著降低了器件尺寸。
該研究首次縮小了 EDWA 和 EDFA 之間的性能差距，填補(bǔ)了硅基光子芯片低噪聲、高功率、大帶寬光放大器的技術(shù)空白。
圖丨基于鉺離子注入的氮化硅集成波導(dǎo)光放大器（來源：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）劉陽表示：“我們通過充分利用鉺摻雜材料的獨(dú)特性質(zhì)，將其無縫集成到光子芯片中，可以在緊湊、高效、可擴(kuò)展的方式下，實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速度、更高的信號質(zhì)量。”
該技術(shù)的突破使得傳統(tǒng)摻鉺光纖放大器、激光器的微型化、陣列化成為可能，可以提高穩(wěn)定性、降低功耗，為實(shí)現(xiàn)晶圓級大規(guī)模量產(chǎn)奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，并為全集成的下一代硅基有源光子芯片帶來希望。
圖丨集成摻鉺放大器在微波光子信號產(chǎn)生和相干光通信的應(yīng)用演示（來源：Science）
工業(yè)應(yīng)用推進(jìn)方面，劉陽及團(tuán)隊和美國諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室合作，將 EDWA 在先進(jìn)的高速相干光通信系統(tǒng)中應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)了 16×1.6Tb/s 的相干傳輸，顯示出該研究在高速光通信領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
相關(guān)論文在 2023 年的光纖通信大會（OFC，Optical Fiber Communication Conference）上，被接受為 Post Deadline 論文（僅被視為“突破性研究”的工作可以在截稿日期后被接受）。
該技術(shù)在電信、數(shù)據(jù)中心、微型化激光光源和量子計算等多領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。據(jù)介紹，目前許多國際知名工業(yè)公司迫切希望將該技術(shù)整合到相關(guān)產(chǎn)品中。
以放大器芯片為核心，實(shí)現(xiàn)超低噪聲集成可調(diào)激光器更進(jìn)一步地，劉陽與團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了一種超低噪聲的集成可調(diào)激光器。該激光器的噪聲性能已經(jīng)與商用光纖激光器相當(dāng)，并超越了光纖激光器的波長調(diào)諧性能。
也就是說，它同時具有光纖激光器的高相干性和半導(dǎo)體激光器的緊湊型。
“為降低損耗帶來的影響，我們采用了一種創(chuàng)新的方式對集成光波導(dǎo)進(jìn)行摻餌注入。簡單來理解，類似于用霰彈槍打在泡沫墻后，其會呈現(xiàn)嵌入狀態(tài)?！眲㈥栒f。
基于這種新方式，研究人員意外地發(fā)現(xiàn)，摻餌注入后的性能優(yōu)于此前的方案。
具體來說，其固有線寬為 50Hz，輸出功率超過 10mW，相較于半導(dǎo)體激光器，超低噪聲激光器線寬更低，可降低 2-3 個數(shù)量級的噪聲水平。
并且，其具有通信波長可調(diào)性、更低噪聲和溫度穩(wěn)定性更強(qiáng)等優(yōu)勢，為下一代高速相干光通信技術(shù)提供超窄線寬集成光源基礎(chǔ)。
圖丨基于鉺離子注入的集成波導(dǎo)激光器（來源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）該技術(shù)在光纖傳感、科學(xué)研究和衛(wèi)星等領(lǐng)域具有應(yīng)用場景。
光纖傳感方面，可用于類似雷達(dá)的探測功能，并且在精度和距離方面更具優(yōu)勢。
此外，超低噪聲的集成可調(diào)激光器還可在對質(zhì)量尺寸比較敏感的領(lǐng)域應(yīng)用。例如，在衛(wèi)星、星載、機(jī)載場景下，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)測距、微波光學(xué)等。
日前，相關(guān)論文以《完全混合集成的鉺激光器》（A fully hybrid integrated erbium-based laser）為題發(fā)表在 Nature Photonics[2]。
圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Photonics）需要了解的是，超低噪聲激光器還有一些技術(shù)提升空間。例如，摻餌注入的方法會帶來損傷，需要用高溫技術(shù)修復(fù)，而溫度過高可能與現(xiàn)有的商業(yè)硅光產(chǎn)品工藝不兼容。
另一方面，雖然溫度穩(wěn)定性高，但其尺寸比半導(dǎo)體激光器大，混合集成封裝尚有一定對工程問題，后續(xù)是否能進(jìn)一步降低成本，取決于該技術(shù)未來的工程化進(jìn)度。
下一步，研究人員在該研究基礎(chǔ)上，探索性能更佳的激光器。例如，通過陣列化做到更高的集成度, 擴(kuò)展激光器的波長可調(diào)范圍，提高低頻區(qū)的穩(wěn)定性。
“未來，我們希望將這種激光器打造成完整的平臺，從放大器、連續(xù)激光器到超短脈沖激光器?！眲㈥栒f。
做一名“懂物理的工程師”劉陽的家庭成員多數(shù)從事教育事業(yè)，受家庭氛圍影響，他總是能夠靜下心來，專注地學(xué)習(xí)和從事研究工作。
本科和碩士階段他畢業(yè)于華中科技大學(xué)的光電子科學(xué)與工程學(xué)院和光電子科學(xué)與工程學(xué)院，師從張新亮教授。
然后，在澳大利亞悉尼大學(xué)本杰明·J·艾格爾頓（Benjamin J. Eggleton）院士課題組攻讀博士和從事博士后研究，主要研究方向?yàn)槁暪夥蔷€性集成光子學(xué)和微波。
2020 至 2023 年，劉陽作為歐盟瑪麗居里學(xué)者，在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院托拜厄斯·基彭貝格（Tobias Kippenberg）教授領(lǐng)導(dǎo)的光子與量子測量實(shí)驗(yàn)室，從事?lián)姐s集成光器件方向的研究。
2023 至 2024 年，主持瑞士自然科學(xué)基金委 PoC 概念驗(yàn)證項(xiàng)目，致力于摻鉺集成光子器件的研究和成果轉(zhuǎn)化。
圖丨劉陽與當(dāng)時所在課題組合影（來源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）在研究生時期，他開始認(rèn)識到傳統(tǒng)光放大技術(shù)難以在集成光子芯片上實(shí)現(xiàn)。
在博士生學(xué)習(xí)和博士后工作期間，劉陽分別利用聲子-光子非線性效應(yīng)和稀土元素?fù)诫s的兩種技術(shù)路線，在集成光子芯片上實(shí)現(xiàn)了高增益、高功率的光信號放大 [3-4]。
圖丨A、基于聲光非線性的片上光放大器、濾波器；B、不同光學(xué)間的聲光非線性作用，以及硅基-硫化物混合集成光子芯片；C、基于聲光效應(yīng)的超寬帶微波光子雷達(dá)，以及無人機(jī)的實(shí)驗(yàn)探測成像結(jié)果（來源：Optica、APL Photonics; Advances in Optics and Photonics、Laser& Photonics Reviews、Nature Communications、Laser& Photonics Reviews、Nature Photonics）在微波光子學(xué)研究方向，他主導(dǎo)開發(fā)的微波光子系統(tǒng)，截至目前仍然保持著射頻鏈路噪聲系數(shù)最低的紀(jì)錄。
劉陽展示了混合光子集成電路技術(shù)，以利用聲光非線性相互作用布里淵效應(yīng)的光放大器，以及在微波光子系統(tǒng) [5-8] 和光子輔助雷達(dá)中的應(yīng)用 [9-10]。
提出并開發(fā)了一種創(chuàng)新的光子雷達(dá)，即超寬帶光子輔助雷達(dá)系統(tǒng)，達(dá)到亞厘米級分辨率 [9]。
從根本上克服了電子帶寬的限制，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)測距和成像，允許雷達(dá)和激光雷達(dá)的同時測量，實(shí)現(xiàn)非接觸式生命體征信號的多目標(biāo)檢測 [10]。
2024 年，他回國加入華中科技大學(xué)，擔(dān)任教授，并著手建立實(shí)驗(yàn)室，隸屬于武漢光電國家研究中心的智能光子學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊。
劉陽坦言，現(xiàn)在回頭來看，在華中科技大學(xué)本科和碩士階段的學(xué)習(xí)給他打下了非常扎實(shí)科研基礎(chǔ)。
“研究生階段導(dǎo)師和課題組良好氛圍的熏陶，使我能有良好的心態(tài)沉著地做科研工作；在海外學(xué)習(xí)和工作后再回到母校任職，讓我有一種非常強(qiáng)烈的歸屬感?！彼f。
展望未來，劉陽的愿景是基于低噪聲摻鉺集成光源技術(shù)，進(jìn)行創(chuàng)新并推動技術(shù)的產(chǎn)業(yè)落地，與其他集成光子技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更高性能的集成光系統(tǒng)。
它的應(yīng)用有望擴(kuò)展到更多的新興領(lǐng)域，如空間激光通信、超大規(guī)模光計算芯片、激光雷達(dá)、生物光子學(xué)等，為推動信息和通信技術(shù)的進(jìn)步做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。
劉陽認(rèn)為，下一個技術(shù)爆發(fā)點(diǎn)可能會在面對大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和高算力光計算的陣列集成光源。
因此，他也將探索新穎的材料、先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)和高兼容性的制造方法，以實(shí)現(xiàn)更高的效率和可擴(kuò)展性。
參考資料：1.Y. Liu, Z. Qiu, X. Ji, J. He, A. Lukashchuk, J. Riemensberger, M. Hafermann, R. Wang, J. Liu, C. Ronning, and T. J. Kippenberg*, A photonic integrated circuit based erbium-doped amplifier. Science, 17(2022). 2.Y. Liu*, Z. Qiu, X. Ji, A. Bancora, G. Lihachev, J. Riemensberger, R. Wang, A. Voloshin and T. J. Kippenberg*. A fully hybrid integrated erbium-based laser. Nature Photonics (2024). 3.Y. Liu, D. Marpaung, A. Choudhary, and B. J. Eggleton, Lossless and high-resolution RF photonic notch filter,Optics Letters 41, 5306 (2016). 4.Y. Liu*, A. Choudhary, D. Marpaung, and B. J. Eggleton,Integrated Microwave Photonic Filters,Advances in Optics and Photonics, 12, 2, 485-555 (2020). 5.Y. Liu, A. Choudhary, G Ren, K Vu, B Morrison, A Casas-Bedoya, T. G. Nguyen, 5. D. Y. Choi, A Mitchell, S.J. Madden, D Marpaung, and B. J. Eggleton,Integration of Brillouin and passive circuits for enhanced radio-frequency photonic filtering, APL Photonics 4, 10, 106103 (2019).6. Y. Liu*, et al., and B. J. Eggleton,Circulator-Free Brillouin Photonic Planar Circuit, Laser & Photonics Reviews,15, 5, 2000481(2021). 7. Y. Liu*, A. Choudhary, D. Marpaung, and B. J. Eggleton,Gigahertz optical tuning of an on-chip radiofrequency photonic delay line, Optica , 418 (2017).8. M. Garrett, Y Liu, M. Merklein, C. T. Bui, C. K. Lai, D. Choi, S. J Madden, A. Casas-Bedoya, B. J Eggleton,Integrated microwave photonic notch filter using a heterogeneously integrated Brillouin and active-silicon photonic circuit, Nature Communications, 14, 11, 7544 (2023).9.Y. Liu*,Z. Zhang, M. Burla and B. J. Eggleton. 11-GHz-Bandwidth Photonic Radar using MHz Electronics. Laser & Photonics Reviews(2022) . 10.Z. Zhang, Y. Liu*, T. Stephens, B. Eggleton*. Photonic radar for contactless vital sign detection. Nature Photonics (2023).
運(yùn)營/排版：何晨龍
01/ 開啟二維材料物理新視角：科學(xué)家闡述太赫茲發(fā)射的非線性過程，為設(shè)計太赫茲新器件夯實(shí)基礎(chǔ)
02/ 科學(xué)家提出拉曼二象性新理論，為理解拉曼散射帶來新視角，促進(jìn)物質(zhì)成像技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展
03/ 科學(xué)家開發(fā)下一代視覺理解和生成架構(gòu)，有效性在Sora等模型中得到驗(yàn)證，未來計劃改進(jìn)視覺多模態(tài)理解和生成能力
04/ 科學(xué)家從“垃圾DNA”中發(fā)現(xiàn)致病突變，定義新型神經(jīng)發(fā)育障礙綜合征，為全球數(shù)十萬患者指明真正病因
05/ 可承受高達(dá)53.2%的應(yīng)變，浙大團(tuán)隊解鎖MOF薄膜可拉伸性能，為分離膜和柔性電子挖掘新潛力
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