“頻率梳是一把測量頻率和時間的尺子，由一系列頻率嚴格等間隔的連續(xù)光分量組成，在光譜學、精密測量和時間標準上有著廣泛且深刻的運用?！?nbsp;

近日，《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”2020年中國區(qū)榜單揭曉，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院博士后劉駿秋因解決了集成光芯片和孤子頻率梳的幾個關(guān)鍵難題上榜。

他和同事們研制出目前世界上體積最小、最緊湊的孤子微梳光芯片模塊，創(chuàng)造了每米光程0.5dB損耗的世界最低記錄?；诖?，他們實現(xiàn)了微波信號生成、高速集成聲光調(diào)制、激光雷達以及激光自注入鎖定等技術(shù)應(yīng)用。

劉駿秋曾就讀于中國科學技術(shù)大學少年班物理專業(yè)，2016年碩士畢業(yè)于德國埃爾朗根-紐倫堡大學，2020年在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）獲得理學博士學位。

一把測量頻率時間的尺子

12月10日在浙江紹興舉行的全球青年科技領(lǐng)袖峰會上，劉駿秋用三分鐘時間介紹了他的研究課題——基于光子芯片集成的頻率梳技術(shù)。

劉駿秋介紹光學頻率梳

光學頻率梳（optical frequency combs，OFC）是一種激光光源，其頻譜由一系列分立、均勻間隔的梳狀頻譜線組成，可用于時間和頻率的精確測量。2005年諾貝爾物理學獎的一半就被授予了對激光精密光譜學和光學頻率梳技術(shù)作出奠基性工作的兩位物理學家。自20世紀90年代第一臺頻率梳被成功研制，經(jīng)過20多年的發(fā)展，頻率梳向更小、更緊湊和成本更低發(fā)展。

劉駿秋介紹，他研發(fā)的集成光芯片頻率梳技術(shù)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)頻率梳難以實現(xiàn)或者無法實現(xiàn)的應(yīng)用，包括微波生成、天體光譜與校準、尋找地外行星、中紅外雙梳光譜和激光雷達等等。

他在接受澎湃新聞（m.dbgt.com.cn）記者專訪時介紹，他們的光芯片頻率梳曾幫助校準西班牙拉帕爾馬的伽利略天文望遠鏡GIANO-B。后者可以通過分析運動行星的發(fā)射光譜來尋找地外行星。

他表示，傳統(tǒng)的、基于鎖模激光器的光頻梳，其重復(fù)頻率在射頻波段（小于1吉赫茲），因此無法與天體光譜儀的分辨率匹配。而光芯片頻率梳的重復(fù)頻率可被人為設(shè)計和控制在微波波段（10至30吉赫茲），可以做到完全匹配天體光譜議的分辨率，因此可以用來校準天體光譜議。“校準過的天體光譜議通過測量行星運動所引起的多普勒頻移來尋找地外行星或分析其大氣成分。”

《麻省理工科技評論》在給劉駿秋的入選理由中寫道，“獲獎人的成果為未來全芯片一體化的光信息生成、處理、探測創(chuàng)造更多的可能，并使得集成微腔光頻梳能夠應(yīng)用在一些新興的領(lǐng)域。此外，通信、微波、激光雷達、量子計算、芯片集成光原子鐘等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域有望因此實現(xiàn)突破?！?/p>

做超低損耗的光子芯片

這些新應(yīng)用的實現(xiàn)得益于劉駿秋和同事在光子芯片領(lǐng)域的突破。

劉駿秋介紹，光損耗是光子芯片中最為核心的問題，他所做的研究“非常技術(shù)”，是通過不斷提升微納加工的精準控制，從而把芯片上的光損耗做低。

2020年6月17日，《自然》雜志介紹了他和同事在光芯片頻率梳的集成化方面實現(xiàn)突破。他們成功利用氮化硅材料制成超低損耗的光子芯片，并在其上實現(xiàn)了目前集成度最高、體積最小的實用化光芯片頻率梳。2020年7月15日，《自然》雜志又介紹了他和同事在光芯片上實現(xiàn)高速聲光調(diào)制器的技術(shù)突破。將此調(diào)制技術(shù)用于頻率梳的控制，他們證明了一種新型的集成激光雷達的技術(shù)方案。

這些研究的關(guān)鍵技術(shù)之一是劉駿秋研發(fā)的氮化硅大馬士革微納加工技術(shù)。該工藝中，氮化硅波導(dǎo)的損耗接近1 dB/m，是目前所有集成波導(dǎo)材料中超低損耗的世界紀錄。該研究也于2020年4月20日在《自然-光子學》雜志上發(fā)表。

氮化硅具有硬度大、密度高、絕緣、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，在集成電路制造上有著廣泛的應(yīng)用，一般用于刻蝕的掩膜和封裝的包層。在劉駿秋開始超低損耗氮化硅芯片研究的時候，很多人并不看好這一技術(shù)路徑。

“很多人認為氮化硅的損耗已到瓶頸，無法做到更低。但他們給我的理由無法讓我信服?！?/p>

在這種情況下，劉駿秋身上的較真勁和競技精神被激發(fā)出來?！拔耶敃r想法很簡單，就是要去找這個答案。我不一定能把損耗做的更低，如果是這樣我需要明確知道限制損耗的原因是什么?！?/p>

帶著“這個問題很重要”和“找出答案”的想法，劉駿秋從2016年開始博士階段學習時進入氮化硅芯片研究領(lǐng)域，到2018年，他做出了初步成果。

“非常有意思”，劉駿秋饒有興致地講道，“2017年我們寫了一個proposal（研究計劃），說在未來五年之內(nèi)我們要把光損耗做到3 dB每米。交了這個proposal半年后，我們就實現(xiàn)了這個目標。那時我們的proposal即將被正式批準，可是我們已經(jīng)把提出的目標實現(xiàn)了。”

那之后，劉駿秋確信自己可以解決氮化硅的低損耗難題，漸漸做出功能越來越復(fù)雜、工藝越來越優(yōu)化的氮化硅光子芯片。2020年，劉駿秋參與的3項相關(guān)研究登上《自然》正刊，5項登上《自然》子刊。

不是天才，做點技術(shù)

劉駿秋并非傳統(tǒng)意義上的學霸。他在采訪中說，“我快30歲才博士畢業(yè)，中間走了很多彎路。正常人一切順利的話，27歲博士就畢業(yè)了?！?/p>

2008年，18歲的他因物理競賽保送至中國科技大學，考入少年班。大學期間，他的成績在中等偏上水平，不算拔尖。“在科大，身邊天才很多?？荚嚳疾贿^他們，我也沒有特別努力。那時候也沒想清楚未來怎么規(guī)劃，耽誤了很多時間。”

由于學習成績相對一般，劉駿秋沒有獲得心儀的美國研究生項目的錄取通知書。本科畢業(yè)一年之后，他到德國開始碩士學習。

“那時候我認清一個道理，我不是天才，做不了特別深特別難的物理。那我就想，不如多接觸些技術(shù)性強的學科，看看自己適合什么研究方向?！彼f自己本科期間“沒有好好學習”吃了虧，到德國之后專心學習，“一考試就是滿分”。畢業(yè)時，他的成績是全系第一名，并獲得了德國教育系統(tǒng)里最高的畢業(yè)榮譽。他發(fā)現(xiàn)自己可以繼續(xù)走科研這條路，便一直走到了現(xiàn)在。

集成氮化硅光芯片（圖片來源：劉駿秋，何吉駿）

談及科研的樂趣，劉駿秋舉著幾塊自己研制的光子芯片說，“我非常享受一個人在超凈間里研究微納加工流程和制備樣品。這就像是完成一樣偉大的藝術(shù)品。我單純覺得從美學的角度上，我的整個工藝的流程具備對稱性，完整性。我很欣賞我做的這個工藝和我制備的樣品。非常漂亮?！?/p>

接下來，他將回到國內(nèi)，繼續(xù)從事光子芯片技術(shù)的研究和發(fā)展。