劉婉茹

德國(guó)一位物理學(xué)家曾說(shuō)，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(shí)不那么容易，而一旦我們?nèi)L試了，將會(huì)觸摸到一個(gè)更為豐富的世界”?，F(xiàn)今，量子科學(xué)已發(fā)展到了可以對(duì)單個(gè)量子態(tài)操控的驚人水平。為了對(duì)光子、電子、聲子等粒子或準(zhǔn)粒子進(jìn)行精準(zhǔn)操控，科學(xué)家們?cè)谔剿鞲鞣N新型光電材料的同時(shí)，通過(guò)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(huì)，有可能會(huì)帶來(lái)信息技術(shù)的革命。光子晶體和光聲晶體就是通過(guò)微納尺度下的人工周期結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子、聲子及其相互作用的操控，是一個(gè)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(duì)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(wú)源、有源器件及其在集成芯片上的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了尺寸最小的寬帶光開關(guān)，同時(shí)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(guó)內(nèi)率先開展光聲晶體前沿研究，在國(guó)內(nèi)首次研制出大于5GHz聲子頻率的納米臂微腔。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和項(xiàng)目骨干，崔開宇還承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家和國(guó)際合作項(xiàng)目。

針對(duì)光子晶體，取得關(guān)鍵性突破

“蝴蝶的翅膀?yàn)槭裁从泻芏喾N顏色？蝴蝶的翅膀本是無(wú)色的，只是因?yàn)榫哂刑厥獾奈⒂^結(jié)構(gòu)，才會(huì)在光線的照射下呈現(xiàn)出繽紛的色彩?！贝揲_宇舉例說(shuō)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(gè)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(duì)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(gè)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(shí)就是用來(lái)調(diào)控光的。”崔開宇解釋，光子晶體是近年來(lái)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光電子器件難以實(shí)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(shí)現(xiàn)成為可能。

“眾所周知，光的速度很快，它跑進(jìn)去一趟還沒(méi)來(lái)得及跟里面物質(zhì)相互作用，就跑得很遠(yuǎn)了，所以光器件要比電子器件大幾個(gè)數(shù)量級(jí)?！贝揲_宇說(shuō)，“如果能把光速降低，那我們就能把器件尺寸縮小。”基于半導(dǎo)體平面工藝的二維光子晶體波導(dǎo)，可利用人工設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控光的群速度，來(lái)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(shì)。因此，光子晶體慢光波導(dǎo)已成為近年來(lái)國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。

“利用慢光增強(qiáng)效應(yīng)可以從空間上壓縮光信號(hào)，可以增強(qiáng)相移、非線性、光增益等，實(shí)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(shí)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(shí)用價(jià)值?！贝揲_宇高興地告訴記者，他們實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)第一個(gè)把光子晶體里的慢光測(cè)出來(lái)的，其光速可以達(dá)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(diǎn)，利用熱光效應(yīng)改變周期結(jié)構(gòu)折射率的機(jī)制研究光子晶體慢光波導(dǎo)的調(diào)控性能，在理論設(shè)計(jì)、工藝實(shí)現(xiàn)到測(cè)試技術(shù)方面取得關(guān)鍵性突破，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(lái)，相關(guān)工作連續(xù)發(fā)表在Applied Physics Letters、Applied Optics、IEEE Photonics Journal等國(guó)際期刊上，得到了國(guó)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(gè)關(guān)注點(diǎn)。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(shí)，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(shí)現(xiàn)有源半導(dǎo)體微納光源的關(guān)鍵。此前，英國(guó)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(gè)紀(jì)錄保持了近10年，直到崔開宇取得了新突破。2013年，美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)旗下的AIP Advances刊登了這一突破性進(jìn)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(shí)間國(guó)際學(xué)術(shù)界紛紛矚目。美國(guó)專業(yè)媒體VerticalNews以“Recent Findings from Tsinghua University Provides New Insights into Nanotechnology”為題進(jìn)行了報(bào)道?！跋嚓P(guān)的測(cè)試結(jié)果都表明，我們的工作實(shí)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?！贝揲_宇說(shuō)。

能夠取得這些成果，崔開宇認(rèn)為離不開多年來(lái)導(dǎo)師的言傳身教。她從吉林大學(xué)來(lái)到清華大學(xué)直讀博士的時(shí)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€(gè)有理想和追求的人，對(duì)學(xué)生的學(xué)業(yè)、生活都很關(guān)心?！贝揲_宇表示，她會(huì)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(jī)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(guò)微納結(jié)構(gòu)形成光學(xué)微腔來(lái)增強(qiáng)光子與聲子的相互作用是近幾年迅速引起關(guān)注的一個(gè)嶄新的研究方向——腔光力學(xué)。崔開宇介紹說(shuō)，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(jī)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(jī)制和新手段，是未來(lái)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(wèn)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(lái)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(wèn)題需要去攻克和解決。”崔開宇告訴記者，“最關(guān)鍵的是，當(dāng)你進(jìn)入到一個(gè)方向時(shí)，知道這個(gè)方向的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)這里面影響事物發(fā)展的核心問(wèn)題，只有知道了問(wèn)題，才能夠想出辦法來(lái)解決，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新?！?

崔開宇所說(shuō)的“新的物理現(xiàn)象和機(jī)制”，需要在腔光力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的光子與聲子的相互作用。而要增強(qiáng)光子與聲子的相互作用，其核心問(wèn)題就是如何利用微腔實(shí)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(guò)程。

為了進(jìn)行有效的研究和應(yīng)用，這一問(wèn)題必須要得到良好的解答。一直以來(lái)，科學(xué)家們嘗試提出了多種微納結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(shí)操控光子和聲子提供了新的機(jī)理和有效的途徑，為片上“超冷 ”量子基態(tài)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

什么是光聲晶體？

“通過(guò)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(shuō)。現(xiàn)在，崔開宇在研究光子晶體的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jìn)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(guò)光波長(zhǎng)尺度重復(fù)的周期結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)過(guò)多次的反射和疊加，有些頻率的光波可以通過(guò)，有些頻率的光波不能通過(guò)，不能通過(guò)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(jìn)入兩側(cè)的周期結(jié)構(gòu)，只能沿著這個(gè)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(gè)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(guò)設(shè)計(jì)周期結(jié)構(gòu)，進(jìn)行能帶調(diào)控，來(lái)實(shí)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(guò)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(shí)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(shí)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?！贝揲_宇說(shuō)，利用光聲晶體微腔可以同時(shí)局域和調(diào)控光子、聲子并操控其相互作用的過(guò)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(shí)現(xiàn)單個(gè)原子的量子基態(tài)，光聲晶體微腔為實(shí)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(shí)現(xiàn)方案，必將引發(fā)量子控制、精密測(cè)量、量子信息領(lǐng)域的革命性飛躍。

目前，崔開宇及其研究團(tuán)隊(duì)直接瞄準(zhǔn)光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機(jī)理及片上實(shí)現(xiàn)展開研究，在該領(lǐng)域研究的初始階段高起點(diǎn)切入，力求從理論研究、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)到測(cè)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(duì)同一周期結(jié)構(gòu)無(wú)法同時(shí)優(yōu)化對(duì)光子和聲子操控這一瓶頸問(wèn)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(gè)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(shí)成功制備出這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證實(shí)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(guó)際會(huì)議?！斑@是已報(bào)道一維光聲晶體微腔的最高聲子頻率。”崔開宇說(shuō)。

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(wèn)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(chǎng)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(dòng)態(tài)耦合給微腔帶來(lái)的擾動(dòng)和無(wú)法實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)高效光聲耦合（1.16MHz）的同時(shí)，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(yè)的研究亮點(diǎn)工作；第二年，實(shí)驗(yàn)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(jī)制還處在基礎(chǔ)研究階段，將這些新機(jī)制最終應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)新的片上功能器件，尚有諸多的物理問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)有待探究。”崔開宇告訴記者，同時(shí)一口氣舉了好幾個(gè)例子，“比如，光聲晶體需要對(duì)光子和聲子同時(shí)進(jìn)行帶隙調(diào)控和帶隙限制，此時(shí)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(jī)理；針對(duì)不同的物理現(xiàn)象和機(jī)理，如何設(shè)計(jì)光聲晶體微腔進(jìn)行相關(guān)的理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試；實(shí)驗(yàn)上如何制備出高品質(zhì)的光聲晶體片上微腔系統(tǒng)；測(cè)試上如何降低環(huán)境擾動(dòng)，測(cè)試出光聲晶體微腔中光波模式與機(jī)械振動(dòng)/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(jī)制實(shí)現(xiàn)片上功能器件等?！?/p>

目前，國(guó)際上僅有少數(shù)幾個(gè)研究組具備同時(shí)開展光聲晶體微腔的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究的能力。清華大學(xué)是國(guó)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(jì)、制作和測(cè)試平臺(tái)，為進(jìn)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(jī)理及片上實(shí)現(xiàn)研究奠定了堅(jiān)實(shí)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(dòng)光聲晶體中光子與電子、聲子等的相互作用機(jī)理及片上實(shí)現(xiàn)研究的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

“由于光聲晶體這一研究方向在國(guó)際上也處在剛剛起步階段，我們應(yīng)該抓住這一難得的機(jī)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和跨越。”從光子晶體轉(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(jiān)持。

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

“希望在理論研究、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)到測(cè)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(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果?！贝揲_宇坦言，她未來(lái)的工作計(jì)劃都將圍繞著光聲晶體。

現(xiàn)在，崔開宇已經(jīng)是一個(gè)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(wú)論怎么平衡，都是要花時(shí)間的，她要盡量做到高效。