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刘骏秋：光芯片应用不仅局限于人工智能( 二 )


现如今 ， 频率梳的技术发展向着小型化、集成化方向发展 ， 把成本降低 ， 更多用户可以享受这个技术 ， 并把这个技术用在很多领域里面 。
要实现这样的技术 ， 我们需要用到微箱集成的频率梳技术（音） ， 这里我们需要用到光芯片集成的技术 。
我们产生频率梳的机制 ， 将光耦合进光学微腔里面 ， 光学微腔具有体积小、品质因子高等特点 ， 光在微腔里面会极大的增强 ， 通过光与物质的相互作用 ， 我们可以通过克尔非线性产生四波混频 ， 就是你输入一束光 ， 就会产生非常多的新的光频率作为出射光 。 由于动量和能量守恒 ， 每一束光的频率都严格满足频率梳的表达式 ， 所以这个频率梳就被称为“光芯片集成的频率梳光源” 。
当构建光芯片的时候 ， 必须要考虑到 ， 第一点用什么材料构建它的当下最主流的三种材料 ， 硅、氮化硅和磷化铟 。 硅一般用作集成的高速的调制器 ， 也可以用作光点探测器 ， 但是硅没有直接的代系（音） ， 所以不能用硅做激光器 ， 这时间需要用到磷化铟这个材料 ， 但是硅和磷化铟它们两都有一个问题 ， 就是材料的损耗非常大 ， 这时候比较一下你会发现氮化硅是一个损耗非常低的材料 。
光损耗对于一切光学研究来讲是最核心的指标参量 ， 它对构建非线性的元件 ， 比如说激光器、探测器 ， 复杂的线行网络来非常重要的 。 复杂的线行网络 ， 我说的是激光雷达、光神经网络或者是量子计算 。
目前集成光学的发展趋势有很多新的材料加入 ， 氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、碳化硅、高折射率玻璃、氧化钽、铝镓砷、磷化镓、氮化镓 ， 这里面很多材料是属于第三代半导体的 ， 集成光学的发展现在是多元化 ， 复杂化的趋势 。
我简单介绍一下我们做氮化硅超低损耗微纳加工的一些技术 。
在这里我们用到一个技术叫做氮化硅光子大马士革工艺 。 大马士革工艺是非常古老的工艺 ， 最早可以追溯到阿拉伯人对他们的武器和装饰上面做颜色的镶嵌和绘图 。 这个工艺本质上就是先做图形 ， 然后你把颜色料材料镶嵌到材料当中做一个抛光 ， 这样有了绘图 。
这个思想被用在早期的电子电路制造上面 。 在我们的研究当中 ， 我们把氮化硅、大马士革工艺用到氮化硅集成光路制造上面 ， 利用这项工艺 ， 目前可以得到所有集成光芯片当中最低的光损耗 。
在工艺的过程当中 ， 我们用到非常成熟的半导体微纳加工技术等 。 所有这些工艺流程都是在我们大学完成的 。
那么对于所有的 ， 我之前提到过光的损耗对于光器件来讲是非常重要的 ， 目前最低的光损耗是在光纤当中实现 ， 它的损耗大概是0.2dB/km ， 非常低 ， 这里我们要感谢高坤 ， 因为没有他的贡献 ， 我们无法享受到全球光通信的技术 。 那么在集成光学当中 ， 目前波导商业的硅波导损耗是dB/cm ， 我们的氮化硅可以做到0.01个dB/cm ， 就是比这些材料要好2倍以上 。
我们回顾一下最近氮化硅发展的历程 ， 氮化硅集成波导目前也发展超过十年 ， 最早是哥伦比亚大学的米哈森教授研发成功的 。 这里我标识的品质因素 ， 品质因素越高 ， 光的损耗越低 。 可以看到氮化硅的品质因素是稳步的增长 ， 也预示着这个技术现在是逐渐的商业化 。 我们也是通过对工艺不断的优化 ， 然后测量我们的芯片样本 ， 做了一个统计的分析 ， 可以发现我们的损耗真的是可以达到1dB/m ， 这样非常低的损耗 。 利用这项氮化硅技术 ， 我们也做了很多环形的微腔 ， 根据需求可以把不同大小环形微腔 ， 在不同应用上扮演着不同的角色 。 比方说10g左右的光学微腔 ， 可以用来生成微波 。 10g-50g可以用来做天体光谱仪的校准 。 50g-100g可以用来做光通镜 ， 100g以上可以做毫米波的生成 。 同时我们也做了非常复杂 ， 非常密集的光的集成网络 ， 我们可以看到在5毫米×5毫米的光芯片上 ， 放了将近1米长的波导 ， 这样的话可以利用这个长波导来实现一些特殊的量子光源纠缠态的制备、量子计算或者光研制线等一系列相关的应用 。


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